X射线与物质的作用在线视频

同学们好

今天我们来一起学习第三节的内容

X射线与物质的相互作用

我们在前面章节讲过

X射线是波长很短的电磁波

穿透能力强

因此X射线跟物体作用主要是透射

吸收和散射

当一束X射线通过物体后

其强度将被衰减

它是被物质散射和吸收的结果

并且吸收是造成强度衰减的主要原因

我们首先来看吸收

如图3-1所示

强度为I0的X射线照射厚度

为t的均匀物质上

穿过深度为x处的dx厚度时的强度

衰减量dIx/Ix与dx成正比

比例系数我们用常数l来表示

我们把l称线吸收系数

对式3-1积分可得式3-2

我们把I / I0称为透射系数

从式3-2可以看出l是

X射线通过单位厚度

物质的强度衰减量

图3-2表示强度随透入

深度的指数衰减关系

很显然物质对X射线的

吸收能力与物质的密度有关

单位体积内物质量随其密度而异

因此对于一确定的物质线

吸收系数l并不是常量

为表达物质本质的吸收特性

采用质量吸收系数m来表示

m等于线吸收系数l除以

吸收物质的密度ρ

代入式(3-2)可得式3-3

式3-3中m为单位面积厚度为t的

体积中物质的质量

因此m的物理意义是

X射线通过单位面积单位质量

物质的强度衰减量

它避开了密度的影响

可以作为反映物质本身

对X射线吸收性质的物理量

下面我们来看一下质量吸收系数

与入射x光的波长

和物质原子序数Z的关系

质量吸收系数与波长的

三次方和元素的原子序数的

三次方近似地成比例

如式3-4所示

式中比例系数K4为常数

该式表明

物质的原子序数越大

对X射线的吸收能力越强

对于一定的吸收体

入射X射线波长越短

穿透能力越强

吸收系数下降

然而

随着X射线波长减小

吸收系数并非单调下降

如图3-3所示

他表示的是质量吸收系数

与波长的关系曲线

我们可以看到

吸收系数在某些波长位置突然升高

所对应的波长称为吸收限

每种物质都有其特定的一系列吸收限

吸收限是吸收元素的特征量

将这种带有特征吸收限的

吸收系数曲线称该物质的吸收谱

在了解吸收限产生原因之前

我们先来看x射线对

物质的几种常见的效应

一种是光电效应

当入射X射线光量子能量等于

或略大于吸收体原子

某壳层电子的结合能时

电子易获得能量从内层逸出

成为自由电子

称为光电子

这种光子击出电子的现象

称为光电效应

此效应将消耗大量入射能量

表现为吸收系数突增

对应的入射波长称为即为吸收限

光电效应引起的

入射能量消耗为真吸收

因光电效应处于相应的激发态的原子

将随之发生如前所述的

高能级外层电子

向低能级内层跃迁的过程

同时辐射出特征 X射线

称 X射线激发产生的

特征辐射为二次特征辐射

称这种光致发光的现象为荧光效应

X射线荧光效应

与X射线管阳极靶激发出

特征X射线的过程相似

不同的地方是荧光效应的

入射源是X光

而X射线管的入射源是高能电子

欲激发原子产生K、L

M等线系的荧光辐射

入射X 射线光量子的能量

必须大于或至少

等于从原子中击出一个K

L、M层电子所需的能量

如以K激发为例

要产生K系荧光辐射

入射X光的所具有的能量

需大于或至少等于电子k壳层结合能

入射x光所对应的临界波长

和频率需满足式3-5

荧光辐射将导致

入射X射线的大量吸收

故称 K

L、M 等为被照射物质的吸收限

对于同一元素K < K < K

这个是由于K对应

于电子K壳层与M壳层的能级差

K对应于电子K壳层

与L壳层的能级差

而吸收限K对应

于电子K壳层与真空能级的能级差

除了X射线荧光之外

由于光电效应而处于激发态的原子

还有一种释放能量的方式

及俄歇效应

原子K层电子被击出后

L层一个电子跃入 K层填补空位

此时多余的能量

不以辐射X光量子的方式放出

而是另一个L层电子

获得能量逸出原子

我们把这种一个K层空位被

两个L层空位代替的过程为俄歇效应

跃出的L层电子称为俄歇电子

每种原子的俄歇电子

均具有一定的能量

测定俄歇电子的能量

即可确定该种原子的种类

所以俄歇电子与荧光X射线一样

都是物质的化学成分信号

荧光X射线用于重元素的成分分析

俄歇电子用于表面轻元素分析

下面我们来看一下吸收限的应用

在一些衍射分析工作中

我们只希望是kα辐射的衍射线条

但X射线管中发出的X射线

除kα辐射外

还含有Kβ辐射和连续谱

它们会使衍射花样复杂化

获得单色光的方法之一

是在X射线出射的路径上

放置一定厚度的滤波片

利用吸收限两侧吸收系数

差别很大的现象选用滤波片

用以吸收不需要的辐射

而得到基本单色的X射线

如图3-4所示

可选择一种合适的材料

其吸收限恰好位于

阳极靶特征谱的K和K波长之间

且尽可能靠近K线波长

如对于Mo靶

金属Zr的吸收限恰好处

在Mo特征谱的K和K波长之间

且靠近K线

把这种材料制成薄片作为滤波片

置于入射线光路中

将强烈吸收 K线

而对 K 线吸收很少

可以获得基本上为单色的辐射

常用靶材的滤波片选择见表3-1

选择比靶材元素低一或者

二个原子序数的元素作为滤波片材料

通过调整滤波片厚度

使滤波后K的强度

仅为K强度的1/600

从表可以看出

不同阳极靶对应不同的K和K波长

还有不同的滤色片

滤色片的吸收限对应的波长

刚好介于阳极靶的K和K波长之间

如对于原子系数为26的Fe靶

选用原子系数

为25的Mn作为滤波片材料

Ni靶的原子系数为28

选用原子序数为27的

Co作为滤波片

对于原子系数小于40的阳极靶

选用滤波片的原子序数比阳极靶小1

对于原子序数>40的靶材

如Mo靶

选用比靶材元素低2个原子系数的

Zr元素作为滤波片材料

吸收限还可作为选择

X射线管阳极靶材的重要依据

在衍射分析时

我们不希望入射的

X射线激发出样品的大量荧光辐射

大量的荧光辐射会

增加衍射花样的背底

使图象不清晰

也就是说希望试样对

X射线的吸收尽可能少

以获得高的衍射强度和低的背底

避免出现大量荧光辐射的原则

就是选择入射X射线的波长

使其不被样品强烈吸收

因此应按图3-5所示选用靶材

靶材产生的入射X射线波长T 

略大于或远小于试样的

吸收限K的波长

即根据样品选择靶材的原则是

靶材元素的原子系数小于等于样品元素的原子系数减去1

或者靶材的原子系数远大于样品的元素原子序数

X 射线穿过物质后强度产生衰减

除主要部分是由于真吸收消耗于光电效应和热效应

还有一部分是偏离了原来的入射方向

即散射

散射效应包括两部分

相干散射和不相干散射

相干散射不相干散射有能量交换

散射的波长与原波长不同

相干散射没有能量交换

因为没有能量交换

波长与能量均没有变化

仅改变方向

下面我们来看一下相干散射

当入射X射线与受原子核束缚

较紧的内层电子相遇

使电子在X射线交变电场作用下

发生受迫振动

像四周辐射与

入射X射线波长相同的辐射

因各电子散射的X射线波长相同

有可能相互干涉

因此称相干散射

亦称经典散射

相干散射波虽然仅占

入射能量的极小部分

但由于他的相干特性而成为

X 射线衍射分析的基础

当 X射线与自由电子或

受核束缚较弱的电子碰撞时

使电子获得部分能量

离开原子核而成为反冲电子

X 射线能量损失

而发生波长变长的不相干散射

不相干散射效应首先

由美国物理学家康普顿

和我国的吴有训在1923年发现

并用 X射线光量子

与自由电子碰撞的

量子理论解释这一现象

见图3-6

不相干散射亦称量子散射

因散射线分布于各个方向

波长各不相等

不能产生干涉现象

在衍射分析中形成背底

好

本节课就到这里

谢谢大家