X射线谱与其应用

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-1X射线管发出的X射线谱普通X射线管产生的X射线具有不同的波长，其X射线谱由连续X射线谱和特征X射线谱组成，具体如图4-1所示。这些射线谱位于特定的波长处，而且波长范围很窄、强度极高，这些线状的射线谱称为特征X射线谱。多余的能量作为X射线的形式发射出来。整个K系X射线波长最短。结构分析时所采用的就是K系X射线。

产生X射线的方法是使快速移动的带电粒子（电子或离子）骤然减速或停止运动，则电子的动能可部分转变成X光能，即辐射出X射线。通常用的带电粒子是电子。最初产生X射线的装置为X射线管，它由一个电子源和一个金属阳极（靶）组成，灯丝（电子源）发出的电子受高压电场的加速作用后达到一定的能量，并高速轰击靶面，在金属阳极区域进入各个原子核的强电场后会产生极大的负加速度，电子突然减速甚至停止。此时大部分撞击金属阳极的电子动能会转化为热能，小于1%的电子动能会转化为X射线，并向四面八方辐射。

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图4-1　X射线管发出的X射线谱

普通X射线管产生的X射线具有不同的波长，其X射线谱由连续X射线谱和特征X射线谱组成，具体如图4-1所示。

如前所述，大量高速电子撞击金属阳极后会产生X射线，而每个电子受到的减速条件都不相同，电子损失的能量也不尽相同，因而会产生不同波长和不同数量的光量子，在X射线谱图中表现为一定的波长范围，即形成连续X射线谱。连续谱的分布靠近短波长的位置，并在短波限的2.5倍处出现一个强度最高值（见图4-1）。连续谱的总效率取决于金属靶的原子序数Z、管电压以及管电流。原子序数越大、管电压越高，X射线管的效率越高。但X射线的产生效率极低，即使采用钨电极（原子序数为74），管电压为100kV时的效率也不过是1%。在产生X射线的其余大部分能量都转化为热能，所以阳极靶多选用高熔点的金属，如W、Ag、Mo、Cu、Ni、Co等，且工作时需要冷却水使阳极靶降温。

当管电压比较小（通常小于100kV）时，只有连续X射线产生；当管电压升高到某一临界激发电压时，将会产生强度很高的特征X射线（见图4-1长波长区）。这些射线谱位于特定的波长处，而且波长范围很窄、强度极高，这些线状的射线谱称为特征X射线谱。特征X射线的产生与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。如果管电压足够高，即由阴极发射的电子的动能足够大时，那么当它轰击靶时，就可以使靶原子中的某个内层电子脱离它原来所在的能级，导致靶原子处于受激状态。此时，原子中较高能级上的电子便将自发地跃迁到该内层空位上去，同时伴随有多余的能量的释放。多余的能量作为X射线的形式发射出来。显然，这部分多余的能量等于电子跃迁前所在的能级与跃迁到达的能级之间的能量差。

X射线的频率由下式决定

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式中ω1和ω2为原子的正常状态能量和受刺激状态时的能量。

当打去K层电子时，所有靠外边的电子层中的电子都可能落到那个空位上，产生回落跃迁时就产生K系的X射线光谱。K系线中，Kα线相当于电子由L层过渡到K层，Kβ线相当于电子由M层过渡到K层。当然Kβ线比Kα线频率要高，波长要短。整个K系X射线波长最短。结构分析时所采用的就是K系X射线。

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。原子序数越大，相对应于同一系（如同为Kα系）的特征谱波长越短。但特征谱的强度随管电压和管电流的提高而增大。

X射线谱与其应用

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