实验室光学仪器--X射线的类型及产生介绍
X射线是一种电磁波,其波长大体为0.01nm~10nm。由于它在传播过程中具有穿透性,常把波长大于0.3nm的部分称为软X射线,而把波长小于0.3nm的部分称为硬X射线。X射线具有明显的粒子性,它的传播可认为是具有一定能量和动量的粒子—光子运动。X射线的波动性质使它在投射到物质上以后,产生散射、干涉和衍射,从而为我们提供丰富的物质内部结构的信息。同时,它的粒子性又在光电效应、Compton效应等方面有重要作用。
当一个具有足够能量的粒子轰击原子时,会击出内层电子,使原子成为具有内层空穴子。离子的内层空穴不稳定,其外层电子将迅速跃迁到内层空穴,并释放一定辐射的电磁波,X射线。Ⅹ射线的辐射能量等于两壳层间的能级差。由于内壳层之间的能级差大于外壳层与反态之间的能级差,所以,内壳层之间跃迁产生的辐射线波长落在X射线区域内。
一、初级X射线(一次Ⅹ射线)的产生
初级Ⅹ射线可用X射线管(X-ray tube)或称X光管产生,它是由热阴极(钨丝)和金属靶材料(Cu、Fe、Cr、Mo、Rh、W等重金属)制成的阳极组成,管内抽真空(约10-4Pa)。工作时,加热阴极产生热电子,并被两极间所加的几万伏的高电压加速,撞击阳极靶,高能的电子受靶材料原子核库仑力的作用而突然减速,使电子周围的电磁场发生了急剧变化,高能电子的大部分能量转变为热能(需通冷凝水或油冷却金属靶),只有不到1%的电功率转变成X射线辐射能,产生了具有一定波长的电磁波从透射窗射出。这样产生的辐射线称为次Ⅹ射线,也称初级X射线或原级X射线。
1-高压变压器;2-钨丝变压器;
3-X射线管;4-阳极;
5-阴极;6-电子;7-X射线
次X射线是由连续光谱和特征谱线两种本质完全不同的X射线组成。
二、连续X射线
当加在X射线管两极间的加速电压较低时,仅产生连续X光谱。撞击到阳极上的各个电子,由于飞行轨迹以及与其他粒子碰撞概率不同,其所受到的减速情况也不尽相同,因此,释放出具有各种不同能量的电磁波,组成了连续Ⅹ射线谱。这种高能带电粒子急剧减速时所发出的连续电磁辐射称为韧致辐射(bremsstrahlung radiation)。
1)短波限X射线连续谱的一个特征是有确定的短波限(shot wavelength limit)x-m,它只与电子的加速电压U有关,与靶材料和X射线管电流无关,有Am=1.24/U(电压单位为kV时,波长单位为mm)。不同的靶材料只要加速电压相同,短波限都相同;加速电压越大,短限越短。
2)连续光谱的强度,连续光谱的总强度与靶材元素的原子序数和X光管电流、X光管电压的平方成正比。其中以ⅹ光管电压的影响最大。
连续光谱的强度随波长变化,其最大强度所对应的波长约为短波限的1.5倍。连续光谱的强度空间分布存在偏振,即各向异性特点,与管电压、波长变化有关,与靶材的原子序数无关。
三、特征(标识)X射线
当加于X射线管的高电压增加到一定的临界数值,使高速运动电子的动能足以激发靶原子的内层电子时,便产生几条具有一定波长的、强度很大的谱线,叠加在连续X射线上,如图192所示。当加速电压达到25kV时,产生了两条钼的特征谱线(K。为0.07107mm,Kp为0.06323mm)。这些谱线的波长与入射电子的能量无关(但要达到临界值),而取决于靶材料,与靶材元素的原子结构及原子内层电子的跃迁过程有关,反映了靶材料的特征,故称为特征X射线(characteristic X-ray)。理论上,特征X射线是单色X射线。
莫斯莱研究了几十种阳极靶的K系和L系特征谱线,得出特征谱线的波长倒数的平方根与原子序数成正比的关系,即莫斯莱定律。莫斯莱定律揭示了特征谱线波长与原子序数间的关系,这是对物质进行定性分析的依据。
相关资料:360百科《X射线》
