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X射線熒光原理

                                                                                                 
一、X射線的起源

 

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

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

三、X射線的產生
      高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉變成熱能使物體溫度升高。
產生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射線與物質的相互作用
    主要概括為四種類型：因光電效應產生的X射線熒光、康普頓散射、瑞利散射和吸收。


                                  

（1）X射線熒光的產生
      當一束粒子如X射線光子與一種物質的原子相互作用時，在其能量大于原子某一軌道電子的結合能時，就可從中逐出一個軌道電子而出現一個“空穴”，層中的這個“空穴”可稱作空位。原子要恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)，這時處于較高能級的電子將依據一定的規(guī)則躍遷而填補該“空穴”，這一過程將使整個原子的能量降低，因此可以自發(fā)進行。這種躍遷將導致如下幾種情況產生：
  ①兩個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射線光子的波長與原子的原子序數有關，且其波長大于入射X射線波長，稱作X射線熒光。
  ②所產生的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。
                                          

     早期人們在用X射線在轟擊陽極靶而產生X射線的時候，就發(fā)現，有幾個高強度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，其X射線能量會發(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、每個殼層電子數及發(fā)射La1、Ka1和Ma1特征譜線如下圖。
                                       
      莫塞萊發(fā)現了X射線能量和原子序數的關系，公式為 。這個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，表明X射線的特征譜給人們提供了一種識別新元素的可靠方法——X射線分析法。
                                         
（2））X射線在物質中的散射
  X射線在物質中的散射現象，可主要分為兩種形式：
 ①不變質散射（彈性散射，瑞利散射），入射X射線波長不發(fā)生變化；
 ②變質散射（非彈性，康普頓散射），入射X射線波長發(fā)生變化。
原子周圍的核外電子，越內層電子與原子核結合的越緊密。光子與內層電子發(fā)生碰撞，無法撞動內層電子，固本身的頻率波長沒有發(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，光子波長頻率發(fā)生改變，稱為康普頓散射。
                                  
 
五、熒光產額
     當一束能量足夠大的X射線光子與一種物質的原子相互作用時，逐出一個軌道電子而出現一個空穴，所產生的的空穴并非均能產生特征X射線，還會產生俄歇電子。產生特征X射線躍遷的概率就是熒光產額，俄歇躍遷的概率成俄歇產額。
                              
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原理而產生的，從X射線管產生X射線，X射線經過濾或單色化處理入射樣品，入射樣品X射線與物質相互作用，產生的元素特征X射線熒光，進入探測器記錄其強度，能量色散型探測器的各種效應。都有可以遵循的X射線熒光的物理學理論，而這些明確的物理學理論，有大量的規(guī)律可循，進而可以建立理論數據庫，譬如基本參數庫等，也可以將明確的物理學現象數學模型化，利用軟件技術，形成針對X射線熒光整個物理過程強大的計算軟件。
     這也是當前X射線熒光領域研究的熱點：基本參數法。

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