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2023-06-20
X射线与物质的相互作用详解
【摘要】：X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的、复杂的过程，如图4-2所示。图4-2X射线与物质的相互作用1.X射线的吸收与电子束相同，当X射线遇到任何物质时，都会有一部分的X射线与物质中的原子产生相互作用，能量被吸收，这称为吸收现象，即第一类效应。在本书第3章提及的电子束与样品相互作用后也会产生特征X射线和俄歇电子，同样也可进行样品的元素分析。此时各散射射线之间将相互发生干涉，故称为相干散射。
当X射线与物质相遇时，会产生一系列效应，这些效应是X射线的应用基础。X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的、复杂的过程，如图4-2所示。但就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质的射线束强度会由于散射和吸收的影响而衰减。但随着科技的进步和对X射线研究的进一步深入，人们发现除了这些效应外，X射线还有激发效应和折射，下面分类介绍。
图4-2 X射线与物质的相互作用
1.X射线的吸收
与电子束相同，当X射线遇到任何物质时，都会有一部分的X射线与物质中的原子产生相互作用，能量被吸收，这称为吸收现象，即第一类效应。实验证实，当X射线通过任何均匀物质时，它的强度衰减的程度与经过的距离成正比，其微分形式为
μe为常数，称为线吸收系数。表示物质对X射线的吸收特性。为了更准确地表达物质本质的吸收特性，提出了质量吸收系数μm，即
式中，ρ为吸收体的密度。
图4-3 质量吸收系数μm与入射关系
质量吸收系数取决于吸收物质的原子序数和X射线的波长。物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对于一定物质，X射线的波长越短，穿透能力越强，即吸收系数越小。但随着波长的降低，μm并非连续的变小，而是在某些波长位置突然升高，即出现了吸收限。每种物质都有它本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收谱（见图4-3）。
X射线的吸收对我们的分析工作贡献不大，但利用这一现象可制备X射线的滤光片，用来吸收不需要的射线谱以得到基本单色的X光光源，滤片元素的原子序数均比靶元素的原子序数小1～2。元素的吸收谱还可作为选择X射线管靶材的重要依据：在进行衍射分析时，总希望样品对X射线尽可能少被吸收，以获得高的衍射强度和低的背底噪音。所以在选择X射线靶材时应依据图4-4的方式，尽量选择靶的Kα谱（λT）位于样品元素K吸收限的右近邻（稍大于λK）或左面远离λK（远小于λK）的低μm处。如Fe样品用Fe或Co靶，Al样品用Cu靶或Mo靶。
图4-4 光源波长λT与样品吸收谱的关系（原子序数一定）
2.X射线的激发
X射线光子与样品原子发生碰撞时，光子把能量传递给被撞原子，使原子内层电子被电离成为光电子，并在原位产生一个空穴，该原子处于激发状态而发射次级（又称荧光）X射线或俄歇电子。荧光X射线的强度随入射X射线的强度和样品中元素的含量而增加，是荧光X射线定性定量元素化学分析的基础；X射线激发的光电子和俄歇电子是X射线光电子谱（XPS）和俄歇电子能谱（AES）分析的基础。在本书第3章提及的电子束与样品相互作用后也会产生特征X射线和俄歇电子，同样也可进行样品的元素分析。
3.X射线的折射
由于X射线的波长很短，在1919年以前未能证明X射线从一个介质进入另一个介质时可以产生折射，但用经典物理方法可以推算出X射线从真空进入一个介质时的折射率为
式中，n为每立方厘米介质中的总电子数；λ为X射线的波长；m为电子的质量；ν为X射线的频率；e为电子的电荷；c为X射线的速度。由此计算出X射线的折射率非常接近于1，因此在一般的衍射实验中常常忽略折射的影响，但某些精度要求很高的测量工作（如点阵参数的精确测定）则需要对折射进行修正。
当X射线进入完整和近完整晶体并产生衍射时，由于衍射动力学效应，折射率有更细微的变化，会出现色散现象，对这种色散现象的深入研究将获得晶体的许多重要信息。
4.X射线的散射
X射线通过物质时，其部分光子将会改变它们的前进方向，这就是散射现象。散射现象包括相干散射和不相干散射。
当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射的射线波长等于入射射线的波长。此时各散射射线之间将相互发生干涉，故称为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。
当入射X射线光子与物质中的某些电子（例如外层电子）发生碰撞时，由于这些电子与原子间的结合松弛，可以近似地看成是自由电子，碰撞的结果，X射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为不相干散射。不相干散射射线的波长比入射X射线的能量小、波长大。在X射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。
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