X射线物理学

造成电子空位的方法
• 电子激发（SEM、TEM、STEM、EPMA、X射线管阳极靶产生的特征谱 即是这种激发的结果）；
• 质子、α粒子、来自粒子加速器的其它离子激发； • 用X光管初级线束（光子）照射； • 用放射性同位素的α、β、γ和和X射线照射； • 用同步辐射源照射； • 用二次靶的二次X射线照射；
波限位置附近；从短波限到最大值曲线急剧上升；从最大值以 后曲线较平滑的下降。 • 当管电压增加到一定程度（激发电压），连续谱上会叠加有特 征谱。
连续谱与电流、电压和靶材的关系
电流
电压
靶材
特征辐射的产生
• 当一束高能光子与原子相互作 用时，其能量≥原子某一轨道电 子的结合能时，即可将该轨道 电子逐出，形成空穴。
连续谱的特征
• 连续谱的表征：
•
短波限 ：
λmin
=
12 .4 V
• 最大峰值波长:
λImax
=
3 2
λmin
• 积分强度：I = 1.1×10−9 ⋅ iV 2Z
连续谱短波限
• 在连续谱短波一侧存在着短波。 它相当于电子撞击在阳极上将其全部 能量以X光子形式释放的情况。因此， 短波限λmin跟阳极物质的种类无关， 仅取决于外加电压（V）的大小。
K和L系特征X射线部分能级图
特征辐射-各线系光谱线间的相对强度关系
K 系谱线的相对强度为： Kα1 ：Kα2 ：Kα ：Kβ1 ： Kβ3 ： Kβ2 100 ：50 ：150 ：15 ：15 : 5
L 系谱线的相对强度为： Lα1 ：Lα2 ：Lβ1 ：Lβ2 ：Lβ3 ：Lβ4 ：Lγ1 ：LΙ ：Lη 100 ：10 ：70 ：30 ： 10 ： 5 ：10 ：3 ： 1
质量衰减系数
样品的质量吸收系数为各组分的质量吸收系数加权。 μcompound ( λ) = Σ μi(λ).wi W为元素或化合物在样品里的重量百分含量
0.3360
FeKβ 7.057
0.1757
PbLα 10.55
0.1175
X射线的起源
X射线起源于由下述过程导致的电子的能量损失： • 原子跃迁（特征辐射） • 减速 （韧致辐射，或连续谱） • 方向改变（同步辐射）
X射线的产生
• 用X射线管辐照样品，是产生荧光X射线光谱的常 用方法。X射线管产生的X射线光谱，被称作原级 X射线谱，它是由连续谱和特征谱组成。
λmin
=
12.4 V
V以kV为单位，λ以Å 为单位
I
(λ)
=
KiZ⎢ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ⎡λλmin
−1⎥⎦⎤⎢⎣⎡λ12
⎤ ⎥⎦
连续谱的特征
• 管电压增高，各相应的曲线也升高，同时最大值和短波极限均 向左（短波方向）移动；
• 连续光谱的强度随加速电压的平方而增加、还跟电流i，阳极元 素原子序数Z成正比；
• 一和等定效管波电长压λ I的max强度；分布具有一最短波长极限（短波限） λmin • 连续谱强度最大值在曲线中部而偏左，波长处在二分之三倍短
用户培训课程-理论部分之一
X射线物理学
X射线的波长范围
E(keV ) = hν = h c = 1.23984 λ λ(nm)
γ-rays
X-rays
UV Visual
0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100 200 nm
X射线的本质和定义
• X射线波长范围在0.01~10nm之间，能量为 124keV～0.124keV。其短波段与γ射线长波段相重 叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。
X射线的产生
高速运动的电子突然减速便能产生X射线，这是X射线管的工作原理。 因此产生X射线的条件为：
1. 自由电子的发射（例如加热灯丝）； 2. 在真空中，迫使这些自由电子朝一定方向高速运动（例如用高压电场）； 3. 在电子高速运动的途径上设置能突然阻止电子运动的金属靶
X 射线光谱
X射线管: 输出依赖于下列因素： • 灯丝 • 加速电压 • 电流 • 真空 • 阳极靶材料 • 窗口
X射线与物质的相互作用
• 吸收
－光电吸收（X射线荧光和俄歇电子发射） －散射吸收
• 散射
－相干散射 －非相干散射 －衍射
X 射线和物质的相互作用
X射线的吸收
• I = I0 exp ( -μρx) (比耳－朗伯定律)
μ －质量衰减系数[cm2/g] ρ－ 密度[g/cm3] x－ 辐射通过吸收体的光路[cm] μρ－ 线性衰减系数[1/cm]
• 发生电子跃迁的两电子壳层的 能量差将以特征X射线逸出原子。 这种跃迁必须符合量子力学理 论
产生特征X射线的物理过程
• 一是产生原子内壳层电子空位； • 二是发射X射线；
具有壳层电子空位的原子处于激发态，电子将重新排列，外壳层 电子向内壳层跃迁，填补内壳层的电子空位，同时释放出跃迁能 量，使原子回到基态。这跃迁能量以特征X射线形式释放出来， 或者能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电 子发射。
特征X射线光谱的特点
特征X射线光谱产生于原子内部的电子跃迁，因此具有一下特点： • X射线光谱因发生于原子的内层轨道，故基本不受价态的影响； • 波长分立，与发射谱相比谱线数量相对少，因而干扰显得不那么严
重； • 谱线波长强烈地依从于Z，并遵循莫塞莱(Moseley)定律；
Moseley定律： (1/λ)1/2=Q(Z-δ)
M 系谱线的相对强度为: Mα1 ： Mα2 ： Mβ1 ： Mγ1 100 ： 10 ： 50 ： 5
这里必须说明：Kα 线的波长为： λ Kα = (2 λ Kα1 + λ Kα2 ) / 3
Kα : Kβ 随原子序数而变: 对Cu(29)约为5 : 1, 对Sn(50)约为3:1,对Al(13)约为25:1
• 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒 子流，每个光子具有的能量为： E(keV)=1.23984/λ
• 依据X射线的波长即可计算出其能量。
X射线的本质和定义
根据电磁辐射定律计算波长
公式
E(keV)
λ (nm) λ(nm) =1.24/ E
MgKα 1.253
0.9895
CaKα 3.69
X射线的产生
• 连续谱或韧致辐射：高速电子在阳极原子核场中运动受阻，能量迅 速损失而产生宽带连续X射线谱。
• 特征X射线：当靶原子内层电子被高速运动的电子逐出，将产生空 穴，外层电子跃迁时就会放射出特征X射线。因此。造成大量电子 空位是产生特征X射线的必要条件。
X射线的产生
• 样品产生的X荧光光谱图