X射线谱在线视频

同学们好

今天我们学习第二节的内容

X射线谱

X射线管出来的X射线主要分为两种

一种是连续X射线

另外一种是特征X射线

我们把强度随波长连续变化的

X射线谱线称连续X射线谱

如这些图所示

连续X射线是怎么产生的呢

你想一个高速运动的电子

带了很大的能量

撞向阳极靶受到减速作用

减速释放能量出来的能量

就是X射线光子

由于大量电子轰击阳极靶的

时间和条件不完全相同

减速过程中间的速度是不确定的

有的减的多

有的减的少

辐射出的电磁波具有各种不同的波长

因此形成了连续谱

这些图表示的是

连续X射线谱随管电压

管电流和阳极靶原子系数的变化图

从这些图可以看出

连续X射线谱具有以下特点

对于一定的加速电压

连续X射线谱有一个波长最小的位置

我们把最小波长称为短波限

用λSWL表示

每条曲线在λm处有一个强度最大值

当管电压U 升高时

各波长X射线的强度均提高

短波限λSWL和强度最大值

对应的波长λm减小

另一方面

当管电流 i 增大时

各波长X射线的强度均提高

但λSWL和λm保持不变

随阳极靶材的原子序数Z 增大

连续X射线谱的强度提高

但λSWL和λm保持不变

为什么连续X射线谱存在短波限呢

我们可以用量子理论

可以解释连续谱和短波限

若管电压为U

则电子到达阳极靶的动能为eU

能量为eU的电子

与阳极靶碰撞产生光子

因此光子的能量应小于

或最多等于电子的能量

当电子在一次碰撞中

将全部能量转化为一个光子

可获得最大能量hνmax

最短波长为λSWL

满足如下关系

eU=hmax=hc /SWL

从中可以看到短波限与管电压成反比

而大多数高速电子与阳极靶碰撞时

其部分能量ε’要消耗在

电子对阳极靶的各种激发作用上

因此转化为X-射线光量子的能量

要小于高速电子的全部能量eU

即大多数辐射的波长均大于短波限

另外

电子可能要经过多次碰撞

才能逐渐消耗自己的全部能量

电子每经历一次碰撞产生一个光子

多次碰撞产生多次辐射

由于多次辐射中产生的

各个光量子能量各不相同

因此出现了连续X射线谱

连续谱强度分布曲线下的面积

即为连续 X 射线谱的总强度I

X射线强度I与管电流i

阳极靶原子系数Z

和管电压U的平方成正比

比例系数用常数K表示

X射线管的效率

用eta来表示

eta等于强度I/iU=K1ZU

可见

X 射线管的管电压越高

阳极靶原子序数越大

X 射线管的效率越高

因K1约(1.1~1.4)10-9

即使采用钨阳极 (Z = 74)

管电压100kV

eta仅为 1%效率很低

这是由于在X射线管中

高速运动的电子轰击阳极靶时

其能量的绝大部分（~99%）

转化为热能而损失

只有极少部分的能量转化为X射线

所以X射线管工作时

必须有良好的循环水冷却

以防止阳极靶熔化

下面我们来看看特征X射线谱

当X射线管压高于

靶材相应的某一特征值UK 时

在某些特定波长位置上

将出现一系列强度很高

波长范围很窄的线状光谱

称为特征谱或标识谱

如图2-2所示

对钼靶X射线管

保持管电流不变

逐渐增加管电压

记录不同管电压下

X射线强度随波长的变化规律

（1）V<=20KV

只产生连续X射线谱

随着管压的增加

X射线强度增加

衍射谱线向短波方向移动

（2）当管电压增加到25kV时

在连续X射线谱上某几个波长

一定的位置的强度突然明显增大

波长为0.63Å对应于Kβ特征谱

波长为0.71Å 对应于Kα特征谱

（3）进一步增加管电压到35KV

只增加特征谱的强度

不改变特征谱的波长

特征谱的波长不受

管电压管电流的影响

只取决于阳极靶材的原子序数Z

X射线特征谱是由布拉格发现的

1913~1914年莫塞莱总结出了

特征X射线谱波长landa

与原子序数Z间的关系

如这个公式所示

我们把这个公式称为莫塞莱定律

该定律表明阳极靶材的原子序数越大

同一线系的特征谱波长越短

我们下面来看看特征谱是如何产生的

特征X射线的产生机理

与靶物质的原子结构有关

我们可以用图2-3来说明

原子壳层按其能量大小分为数层

通常用K、L、M、N

最内层的K层能量最低

当X射线管电压达到

或超过某一临界值时

则阴极发出的电子在电场加速下

可以将阳极靶内层电子击出

而成为自由电子

此时原子处于高能的不稳定状态

必然自发地向低能级稳态过渡

如果K层电子被击出

称K激发

L层电子被击出L层

称L激发

其余各层依此类推

处于激发状态的原子

有自发回到稳定状态的倾向

此时外层电子将填充内层空位

相应伴随着原子能量的降低

原子从高能态变成低能态时

多出的能量以X射线形式辐射出来

若 L层电子跃迁到 K层填补空位

原子由K 激发态转为 L 激发态

能量差以X 射线的形式释放

这就是Kα特征谱线

由于L层内

还有能量差别很小的亚能级

不同亚能级的电子

跃迁将辐射Kα1和Kα2射线

若M层电子向K层空位补充

则辐射波长更短的 Kβ射线

特征 X射线的能量为

跃迁前后两能级的能量差

其频率可由下式计算

hν=W2-W1= (-En2)- (-En1)式中

电子跃迁前后原子激发态能量

En2和En1是所在壳层上的电子能量

莫塞莱定律中常数K与

电子跃迁前后壳层的

主量子数n1和n2有这么一个关系

常数R称为里德伯常数

对于K壳层

主量子数为1

L 层主量子数为2

M层 主量子数为3

以此类推

在K激发态下

L层电子向K层跃迁的几率

远大于M层跃迁的几率

所以 Kα谱线的强度是Kβ的5倍

Kα1和Kα2谱线的关系为

Kα1的波长比Kα2短

Kα1的强度是Kα2强度的两倍

几种元素的特征波长

和K系谱线的激发电压见表1-1

在一般情况下

只有K系谱线用于X射线衍射

因为波长较长的其它谱线

在实验中极易被吸收而不起作用

K系谱线中有多根谱线

但在常规的衍射工作中

只能观察到其中的最强的三根

即Kα1

Kα2及Kβ

我们以Cu靶为例

这三根谱线的波长

分别为Kα1－1.54056Å

Kα2－1.54439Å及Kβ1.39222Å

我们可以看到Kα1

与Kα2的波长非常接近

在很多情况并不一定能区别开来

这个时候我们取Kα1及

Kα2的加权平均值为Kα谱线的波长

也就是K=(2K1+K2)/3

对于Cu靶

K波长为1.54184Å

介于Kα1与Kα2之间

波长比Kβ长

由表2-1中的数据我们还可以看出

欲获得波长更短的特征X射线

需要选用原子序数更大的物质作为阳极

表中UK 是 K系特征谱的临界激发电压

阳极靶材原子序数越大

所需临界激发电压越高

特征谱的强度随管电压U

和管电流i增大而提高

I标 = K3 i ( U – Un )m式中

m为常数 K3为常数

为了提高特征谱的强度

应采用较高的管电压

当U/Uk =4时

I特/I连最大

所以X射线适宜管电压为

一般为临界激发电压的3到五倍

好

本节课的内容就到这里

谢谢大家