X射線與物質相互作用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第三節(jié) X射線與物質相互作用我們前面講過當X射線穿透物質時，與物質發(fā)生各種作用有吸收、散射、透射光電效應等一、X射線的散射X射線是一種電磁波，當它穿透物質時，物質的原子中的電子，可能使X射線光子偏離原射線方向，即發(fā)生散射。X射線的散射現(xiàn)象可分為相干散射和非相干散射。1、 相干散射及散射強度當X射線通過物質時，在入射電場作用下，物質原子中的電子將被迫圍繞其平衡位置振動，同時向四周輻射出與入射X射線波長相同的散射X射線，稱為經(jīng)典散射。由于散射波與入射波的頻率或波長相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干條件，又稱為相干散射。按動力學理論，一個質量為m的電子，在與入射

2、線呈2角度方向上距離為R處的某點，對一束非偏振X射線的散射波強度為：Ie=I0它表示一個電子散射X射線的強度，式中fe=e2/mC2稱為電子散射因子。稱為極化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的Ie=I0從上式可見（書P5）相干散射波之間產(chǎn)生相互干涉，就可獲得衍射?？梢娤喔缮⑸涫荴射線衍射技術的基礎。2、 非相干散射當入射X射線光子與原子中束縛較弱的電子或自由電子發(fā)生非彈性碰撞時，光子消耗一部分能量作為電子的動能，于是電子被撞出離子外（即反沖電子）同時發(fā)出波長變長，能量降低的非相干散射，或康普頓散射 這種散射分布在各方向上，波長變長，相位與入射線之間也沒有固定的關系，故不產(chǎn)生相互干涉，不

3、能產(chǎn)生衍射，只會稱為衍射譜的背底，給衍射分析工作帶來干擾和不利的影響。二、X射線的透射X射線射線透過物質后強度的減弱是X射線射線光子數(shù)的減少，而不是X射線能量的減少。所以，透射X射線能量和傳播方向基本與入射線相同。X射線與物質相互作用，實質上是X射線與原子的相互作用，其基本原理是原子中受束縛電子被X射線電磁波的振蕩電場加速，短波長的X射線易穿過物質，長波長X射線易被物質吸收。三、X射線的吸收長波長X射線被物質吸收時，能量向其他形式轉變。X射線能量除轉變?yōu)闊崃恐?，還可以轉變?yōu)殡娮与婋x，熒光產(chǎn)生，俄歇電子形成等光電效應。1、 光電效應電離是指當入射光子能量大于物質中原子核對電子的束縛能時，電子將

4、吸收光子的全部能量而脫離原子核的束縛，成為自由電子。被激出的電子稱為光電子。這種因為入射線光子的能量被吸收而產(chǎn)生光電子的現(xiàn)象稱為光電效應。 熒光效應指當高能X射線光子激發(fā)出被照射物質原子的內層電子后，較外層電子填其空穴而產(chǎn)生了次生特征X射線（或稱為二次特征輻射）的現(xiàn)象。因其本質上屬于光致發(fā)光的熒光現(xiàn)象，即與短波射線激發(fā)物質產(chǎn)生次生輻射的熒光現(xiàn)象本質相同，故也稱為熒光效應或熒光輻射。要產(chǎn)生熒光效應，顯然入射X射線光量子能量h必須等于或大于將此原子某一殼層的電子激發(fā)出所需要的脫出功。因此產(chǎn)生某系激發(fā)都有一個某系激發(fā)的最長波長，即激發(fā)限。該波長必須滿足i=（nm）熒光效應與X射線管產(chǎn)生特征X射線的過

5、程相似，不同之處在于：X射線管產(chǎn)生特征X射線射線。入射線是高速運動的電子；熒光效應的入射線是高能X射線光子。相同之處在于：均產(chǎn)生波長特定的X射線。熒光X射線的波長決定于原子的能級差（外層電子填內層空穴）。因此從熒光X射線的特征波長可以查明被激發(fā)原子是哪種元素。這就是X射線熒光光譜技術（XRF）該技術可用于快速定性分析材料中所含元素，即熒光X射線用于材料的成分分析。熒光效應產(chǎn)生的次生特征X射線的波長與原射線不同，相位也與原射線無確定關系。因此不會產(chǎn)生衍射。但所產(chǎn)生的背底比非相干散射嚴重得多。所以在X射線衍射研究中，應正確選擇所實用得X射線波長，以盡可能避免產(chǎn)生明顯得熒光輻射。 俄歇效應當較外層電

6、子填空穴時所釋放得能量不產(chǎn)生次生X射線，而是轉移給另一外層電子，并使之發(fā)射出來，這個次生電子叫俄歇電子，這個過程稱俄歇效應。產(chǎn)生俄歇電子除用X射線照射外，還可用電子束、離子束轟擊。俄歇電子能譜：俄歇電子得能量分布曲線稱為俄歇電子能譜，它反映了該電子從屬得原子以及原子的結構特征，因此俄歇電子能譜分析（Auger Electron Spectroscopy AES）可以分析固體表面化學組成元素的分布，可用于精確測量包括價電子在內的化學鍵鍵能。也可測量化學鍵之間微細的能量差。掃描俄歇電子能譜儀還可以觀測表面的形貌。2、 X射線的吸收 線吸收系數(shù)和能量吸收系數(shù)當X射線穿過物質時，其強度要衰減，并遵循一

7、定的規(guī)律。吸收系數(shù)：當X射線透過通過1cm厚的物質時被吸收的比率稱為吸收系數(shù)透射線強度 I入射線強度為I0設所透過的物質厚度為x它們的關系為：I=I0e-x對X射線衰減的研究表明由于散射引起的衰減和由于激發(fā)電子及熱振動引起的真吸收遵循不同的規(guī)律。即真吸收部分隨X射線波長和物質元素的原子序數(shù)而顯著地變化，散射部分則幾乎和波長及元素的原子序數(shù)無關。一般情況下真吸收遠遠超過散射引起的衰減。因此散射衰減往往忽略不計。吸收系數(shù)對同一物質正比于它的密度。設物質密度為，則上式改寫為：I=I0=m=m元素質量吸收系數(shù)（cm2/g）透過系數(shù)或透射因子可見，透射X射線強度是按指數(shù)規(guī)律迅速衰減。m對于一定波長和一定

8、物質來說，是與物質密度無關的常數(shù)。其物理意義為每克物質引起的相對衰減量。它不隨物質的物理狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、粉末或塊狀的固態(tài)、機械混合態(tài)、化合物或固液體等）而改變。當X射線透過多種元素組成的化合物時（p7），多種元素組成物質的質量吸收系數(shù)為mWi為該種物質的質量分數(shù)。N為表示該物質是由n種物質構成的。例：計算SiO2對Cu的Ka輻射（=15.418nm）的質量吸收系數(shù)已知M（Si）=28.09，M（0）=16.0，mSi=60.6，m0=11.5mSiO2= =34.45cm2/g 吸收系數(shù)與波長、元素的關系元素的質量吸收系數(shù)m與入射X射線的波長及吸收物質原子序數(shù)有關吸收限：當吸收物質一定時，隨

9、波長減小，質量吸收系數(shù)減小。當波長減小到一個限度k時，質量吸收系數(shù)產(chǎn)生一個突變（增大）。稱發(fā)生突變時的波長為吸收限。在k處發(fā)生突變，這是由于入射線管子能量達到了激發(fā)該元素k層電子的數(shù)值，從而大量地被吸收或消耗在這種激發(fā)上面，并同時引起特征輻射。所有元素的m與的關系曲線均類似，只是吸收限的位置不同。吸收限是吸收元素的特征量，不隨實驗條件的改變而改變。根據(jù)電子激發(fā)前所處的電子層，分別稱為K吸收限，L吸收限，M吸收限等等。其值激K=決定。在吸收限處m增加了710倍。當入射X射線波長一定時，不考慮吸收限則一般隨原子序數(shù)增加m越大。即重金屬原子序數(shù)越大，對X射線的吸收系數(shù)越大，X射線越難穿過。人們之所以用鉛板、鉛玻璃作為屏蔽X射線的材料就是基于這一點。 吸收限的應用A、 物質對X射線吸收的一個主要應用是對濾波片的選擇（P7，勾劃線）由m關系曲線（畫黑板上），如果能找到一種金屬薄片作濾波片，它的K吸收限波長正好介于X射線所發(fā)出的K、K兩線的波長之間，則這種濾波片會大量吸收K線及大部分連續(xù)X射線，而對K吸收很小，也就是得到了“單色”的K輻射了（見書例圖1-5）濾波片厚度對濾波質量也有影響。濾波片太厚，對K的吸收也增加對實驗的不利。B、 陽極靶的選擇物質對X射線的吸收，不僅用于濾波片的選擇，而且還用于X射線靶的選擇。在X射線衍射實驗中，總是希望樣品對X射線的吸收盡可能少些。因為若樣品對X射線強烈