X射线的产生及X射线的性质

1.连续谱2.特征谱3.特征X射线波长与阳极材料的关系4.X射线与物质的相互作用5X射线的产生及X射线的性质现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法——用阴极射线管（高电压下的高速电子流轰击阳极）。W.C.Rontgen，1894年任德国维尔茨堡大学校长，他的大部分时间耗在了昏暗的实验室，这位50岁的大学校长，在1895.11.8偶然发现了一种射线，在论文《一种新射线(初步通信)》里，描述为“如果把手置于放电装置和荧光屏之间，就可以看到在较淡的手影里露出深暗的骨骼阴影。”这种穿透力很强的射线，伦琴自己也搞不清楚，称其为“X射线”。1896年1月4日，这种未知的射线，让参加柏林物理学会会议的人们大开眼界。伦琴在会上展示了他的X射线照片--著名解剖学教授克利克尔一只手的X光照片。1901年，伦琴获得了第一届诺贝尔物理学奖。他放弃了自己的专利权，使得X射线的研究、应用无比迅速。X射线的发现震惊了全世界，一下子，X射线成了时髦的代名词，甚至出现了“X射线高尔夫球”、“X射线火炉擦洗剂”、“X射线避孕药”和“X射线剃须刀”。高真空10-4—10-6Pa至高压发生器40-120kV接地高速电子流X射线当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大量的热电子产生，在正负极之间的高电压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，而大部分都转变成为热能。阴极：发射电子。钨丝，高压下释放出热辐射电子。阳极：靶(Target)。高速运动的热辐射电子突然减速并发射X射线。阳极材料为Cu，称之为Cu靶。另外常用的还有Fe靶、Mo靶等。一.连续谱（连续波长的X射线）高速电子与阳极靶的原子碰撞时，由高速运动突然转为停止不动，电子失去动能以光子形式辐射，这个光子流就是X射线。电子运动的动能X光能设电子的动能为＝eV，若一个电子的动能全部转化成X光子的能量，则：＝hν＝hc/λλs=hc/max这时该光子将具有最短的波长λs。在实际的能量转化中，绝大多数电子，都有能量损耗，即≤max,因此λ≥λs。实际形成：以λs为最短波长的连续谱线。Mo靶的X射线谱连续光谱又称为“白色”X射线。连续光谱的短波限λs只决定于X射线管的工作高压，即只取决于高速电子流的运动速度，而与靶无关。λs=hc/max＝hc/eV代入各个参数后得到：λs=12.395／V；V的单位为kV,λs的单位为Ǻ(angstrum)二.特征谱（特征波长的X射线）从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N……表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强（电子束缚能最高）。例如：Na11的原子结构中电子的壳层分布当外来电子的能量足够高(大于K层电子的电子束缚能)，则可能吧K层的一个电子击飞，从而使原子处于不稳定状态(激发态)。高速电子流打飞的电子(光电子)激发态不是稳定态，必然自发地向稳定态过渡。方法之一：较高能量的L层电子向K层跃迁。在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于K层与L层的能级差ΔE＝EL-EK＝hν该差值能量将以X射线的形式放射出去。λα＝h/ΔEX射线X射线方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，ΔE＝EM-EK＝hνλβ＝h/ΔE显然λαλβ同理，由NK的跃迁形成的辐射叫γ辐射。方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，ΔE＝EM-EK＝hνλβ＝h/ΔE显然λαλβ同理，由NK的跃迁形成的辐射叫γ辐射。X射线由于K层电子缺失、电子跃迁形成的X射线称K系X射线，即Kα、Kβ、及Kγ射线。由：λ＝h/ΔE可知不同的原子，各轨道间的能量差不同，因此，所产生的Kα、Kβ、及Kγ波长不同。即波长取决于原子序数，称之为特征谱。一般来讲，轨道越靠近，发生跃迁的几率越大，即IαIβIγ另外：IKILIM在L→K跃迁产生Kα辐射时，由于L电子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。ΔE1＝EL2-EK＝hν＝hc/λα1ΔE2＝EL3-EK＝hν＝hc/λα2所产生的Kα射线就分为Kα1和Kα2。其波长有微小的差异。比如Cu，λKα1＝1.5405ǺλKα2＝1.5443Ǻ另外其β射线λKβ＝1.3921Ǻ通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、Kβ的强度分布如下：Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8波长特征，例如Cu：λKα1＝1.5405ǺλKα2＝1.5443ǺλKβ＝1.3921ǺFe：λKα1＝1.9360ǺλKα2＝1.9400ǺλKβ＝1.7566Ǻ在X射线衍射分析中，Kβ射线的波长差异较大，可设法去掉和消弱其强度。由于Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα射线的波长，计算方法如下：λKα=（2λKα1+λKα2）／3至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、Kβ的强度分布如下：Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8由于Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα射线的波长，计算方法如下：λKα=（2λKα1+λKα2）／3至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。典型的X射线谱（含连续谱和特征谱）几种常用阳极靶材料的特征谱参数三.特征X射线波长与阳极材料的关系式中λ——某线系(α、β)的特征射线的波长Z－－原子序数K，——为给定的线系的常数。元素Kα1Kβ1Lα1Mα14Be114.0011Na11.9111.5826Fe1.9361.75717.5929Cu1.5411.39213.3435Br1.0410.9338.37555Cs2.89274W1.4766.98383Bi1.1445.118不同元素的特征X射线波长(Ǻ)(1)阳极材料已知时电子束轰击可以得到已知波长的特征X射线—----用于X射线衍射分析的光源。如，Cu阳极(Cu靶)，得到Cu：λKα1＝1.5405ǺλKα2＝1.5443ǺλKβ＝1.3921Ǻ(2)阳极材料未知时阳极换成未知样品，则样品中含有那种元素，即可得到那种元素的特征X射线波长，若含多种元素，则得到各该种元素的特征X射线波长。如果能测定出样品产生的X射线波长(或能量)，则可以鉴定出样品中的元素种类(及含量)----电子探针分析、能谱分析(EPMA,EDX)。四.X射线与物质的相互作用(1)相干散射：当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上，则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波--散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将有可能发生相互干涉--相干散射----X射线衍射。（2）非相干散射(a)光电子当入射X光子的能量足够大时，入射电子可以将原子的内层电子击出使其成为光电子。入射X射线光电子若入射X射线的波长是单色(能量已知)，则被击打出的光电子的能量为：＝入射线的能量－电子在原子核外所具有的能量由于不同元素的核外电子具有不同的能量，因此，如能测定该光电子的能量，则可确定被照射物质的化学成分----XPS原理(XrayPhotoElectronicSpectroscopy)。对光源的要求：固定的已知能量，常采用单色X射线。(X射线不容易聚焦，因此样品分析时空间分辨率低)MgKα激发Ag得到的光电子谱Auger•XPS进行成分测定的特点：.样品最表面元素种类(及含量)的测定(信息深度10层原子)。较深部位元素产生的光电子很难逸出样品表面。.元素的不同状态，其光电子的能量会有差异(化学位移)，因此可测定元素的不同状态---价态、配位形式等。例如Si的2p电子结合能：单质硅中：99.6eVSiO2中：103.4eV•有机化合物化学位移举例(b)X荧光光电效应发生后，原子的内层电子缺失，成激发状态，激发态稳定态和前面讲述的X射线产生的原理一样，将产生X射线，称之为二次X射线－－荧光辐射。该X射线的波长，完全取决与物质中的原子类型，而入射线可为单色，也可为白色。若测定该二次射线的波长，即可得到物质的化学组成----XRF原理(X-RayFluorescenceSpectrometer)。（c）俄歇效应如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子-----俄歇电子。这种现象叫做俄歇效应----AES原理(AugerElectronSpectrometry)。KLLAugerE=EK-EL-EL•俄歇电子的能量：EKLL=EK-EL-EL被电离的电子跃迁的电子变成Auger电子的电子俄歇电子的能量只取决于原子本身，而与激发光源无关，因此一般的俄歇电子谱仪采用电子束作为光源(电子束能量高，且容易聚焦，因此空间分辨率高)。各种元素的俄歇电子能量•平均俄歇电子产额随原子序数的变化•X荧光产额ω与俄歇电子产额α之间满足α+ω=1一般地，较轻的元素，产生俄歇电子的几率较大，而较重的元素则产生X荧光的几率较大。•14号以前的元素，采用KLL俄歇电子•14-42：LMM俄歇电子•42号以后的元素：MNN或MNO俄歇电子•一般来说，俄歇电子谱仪对轻元素的分析更为有效。•也是一种针对样品最表面的元素进行分析。•1例Cr-Mo-V合金的俄歇电子图谱(括号内为电子能量eV)(3)物质对X射线的吸收光电效应，俄歇效应以及热效应所消耗的那部分入射X射线能量称为物质对X射线的真吸收。因此当X射线穿过物质时，X射线的能量将被衰减。物质对于X射线的总体吸收用吸收系数来描述：μ/ρ=Kλ3Z3式中K为常数，λ为X射线的波长，Z为物质的原子序数，μ为吸收系数，ρ为物质的密度。μ/ρ为称质量吸收系数，记为μm。由公式可知，μm随原子序数及X射线的波长急剧增大，但其增大的过程很有意义,见下图：μm出现台阶状跳跃的原因（用光电效应来解释）：（1）波长恒定，μm随原子序数的变化；（2）元素恒定，μm随波长的变化吸收系数的应用－－滤波片：对原始X射线进行过滤，目的是滤掉β射线。例如对Cu靶产生的X射线，原始的特征线强度分布为Iα1：Iα2：Iβ＝100:50:13.8用Ni滤波片“过滤”后，强度分布为：Iα：Iβ＝500：125：Mn26：Fe27：Co28：Ni在CuKa射线照射下，吸收比较大，即产生较多的荧光散射，因此对于含大量这些元素的物质，衍射效果不好。解决方法：换FeKa,波长1.9374A作业四1.以Cu靶为例，简述Kα1、Kα2、Kβ射线的产生原理。2.试论述物质对于X射线的吸收（吸收系数与原子序数、波长的关系）3当激发L系特征X射线时，能否同时产生K特征X射线？反之，当激发K系特征X射线时，能否同时产生L系特征X射线？为什么?4解释为什么会有吸收边。K吸收边为什么只有一个，而L系吸收边却有三个？5试论述XRD,EPMA,XPS,XRF,AES几种测试分析原理之间的联系。