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X射線熒光原理

                                                                                                 
一、X射線的起源

 

      1895年德國(guó)物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴研究陰極射線管時(shí)，發(fā)現(xiàn)陰極能放出一種有穿透力的、肉眼看不見的射線。由于它的本質(zhì)在當(dāng)時(shí)是一個(gè)“未知數(shù)”，故稱之為X射線。
     倫琴無條件地把X射線的發(fā)現(xiàn)奉獻(xiàn)給人類,沒有申請(qǐng)專利。
     X射線和可見光一樣屬于電磁輻射，但其波長(zhǎng)比可見光短得多，在10-6～10nm。在X射線光譜法常          用波長(zhǎng)在0.01～2.5nm。
     1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì)，為X射線熒光分析方法奠定了基礎(chǔ)，1901年諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴就由于發(fā)現(xiàn)X射線而獲得了這一年的物理學(xué)獎(jiǎng)。

二、X射線的本質(zhì)
   X射線的本質(zhì)是電磁輻射，具有波粒二像性。
（1）波動(dòng)性
X射線的波長(zhǎng)范圍：0.01~100 Å
用于元素分析的X射線光譜所使用的波長(zhǎng)范圍在0.01~11nm
（2）粒子性
特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。
表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)、熒光輻射等。

三、X射線的產(chǎn)生
      高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。
產(chǎn)生X射線源有同位素放射源、X射線管、激光等離子體、同步輻射和X射線激光等。

四、X射線與物質(zhì)的相互作用
    主要概括為四種類型：因光電效應(yīng)產(chǎn)生的X射線熒光、康普頓散射、瑞利散射和吸收。


                                  

（1）X射線熒光的產(chǎn)生
      當(dāng)一束粒子如X射線光子與一種物質(zhì)的原子相互作用時(shí)，在其能量大于原子某一軌道電子的結(jié)合能時(shí)，就可從中逐出一個(gè)軌道電子而出現(xiàn)一個(gè)“空穴”，層中的這個(gè)“空穴”可稱作空位。原子要恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)處于較高能級(jí)的電子將依據(jù)一定的規(guī)則躍遷而填補(bǔ)該“空穴”，這一過程將使整個(gè)原子的能量降低，因此可以自發(fā)進(jìn)行。這種躍遷將導(dǎo)致如下幾種情況產(chǎn)生：
  ①兩個(gè)殼層之間的能量差以X射線光子的形式發(fā)射出原子，該X射線光子的波長(zhǎng)與原子的原子序數(shù)有關(guān)，且其波長(zhǎng)大于入射X射線波長(zhǎng)，稱作X射線熒光。
  ②所產(chǎn)生的X射線熒光沒有發(fā)射出原子，而是將原子中另一電子逐出原子，形成具有雙空穴的原子，這一電子稱作俄歇電子。
                                          

     早期人們?cè)谟肵射線在轟擊陽(yáng)極靶而產(chǎn)生X射線的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)，有幾個(gè)高強(qiáng)度X射線，并沒有隨著加速電子的高壓變化而變化，而是在使用不同的靶材之時(shí)，其X射線能量會(huì)發(fā)生變化，后稱之為特征X射線，每種元素都有他特有的特征X射線。以W原子為例，核外電子殼層能級(jí)、每個(gè)殼層電子數(shù)及發(fā)射La1、Ka1和Ma1特征譜線如下圖。
                                       
      莫塞萊發(fā)現(xiàn)了X射線能量和原子序數(shù)的關(guān)系，公式為 。這個(gè)公式被稱為莫塞萊公式。莫塞來定律為X射線光譜定性分析奠定了基礎(chǔ)，表明X射線的特征譜給人們提供了一種識(shí)別新元素的可靠方法——X射線分析法。
                                         
（2））X射線在物質(zhì)中的散射
  X射線在物質(zhì)中的散射現(xiàn)象，可主要分為兩種形式：
 ①不變質(zhì)散射（彈性散射，瑞利散射），入射X射線波長(zhǎng)不發(fā)生變化；
 ②變質(zhì)散射（非彈性，康普頓散射），入射X射線波長(zhǎng)發(fā)生變化。
原子周圍的核外電子，越內(nèi)層電子與原子核結(jié)合的越緊密。光子與內(nèi)層電子發(fā)生碰撞，無法撞動(dòng)內(nèi)層電子，固本身的頻率波長(zhǎng)沒有發(fā)生變化，稱為瑞利散射。光子與外層電子發(fā)生碰撞，電子被撞動(dòng)，光子波長(zhǎng)頻率發(fā)生改變，稱為康普頓散射。
                                  
 
五、熒光產(chǎn)額
     當(dāng)一束能量足夠大的X射線光子與一種物質(zhì)的原子相互作用時(shí)，逐出一個(gè)軌道電子而出現(xiàn)一個(gè)空穴，所產(chǎn)生的的空穴并非均能產(chǎn)生特征X射線，還會(huì)產(chǎn)生俄歇電子。產(chǎn)生特征X射線躍遷的概率就是熒光產(chǎn)額，俄歇躍遷的概率成俄歇產(chǎn)額。
                              
六、X射線熒光光譜法
      X射線熒光光譜法正是基于以上物理學(xué)原理而產(chǎn)生的，從X射線管產(chǎn)生X射線，X射線經(jīng)過濾或單色化處理入射樣品，入射樣品X射線與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生的元素特征X射線熒光，進(jìn)入探測(cè)器記錄其強(qiáng)度，能量色散型探測(cè)器的各種效應(yīng)。都有可以遵循的X射線熒光的物理學(xué)理論，而這些明確的物理學(xué)理論，有大量的規(guī)律可循，進(jìn)而可以建立理論數(shù)據(jù)庫(kù)，譬如基本參數(shù)庫(kù)等，也可以將明確的物理學(xué)現(xiàn)象數(shù)學(xué)模型化，利用軟件技術(shù)，形成針對(duì)X射線熒光整個(gè)物理過程強(qiáng)大的計(jì)算軟件。
     這也是當(dāng)前X射線熒光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)：基本參數(shù)法。

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