X射线谱的基本原理

X射线谱的基本原理

X射线谱可分为发射区射线谱和吸收区射线谱，波长范围为700～0.1┱。发射谱有两组:连续谱和叠加其中的标识（特征）谱。
连续X射线谱 　高速带电质点(如电子、质子、介子等)与物质相碰,受物质原子核库仑场的作用而速度骤减，质点的动能转化为光辐射能的形式放出。带电质点的速度从υ1降到υ2，相应地发生波长为 λ0
的辐射，这是h是普朗克常数,с为光速，m是带电质点的质量。因此连续谱存在一短波限，其最短波长λ0相应于υ2=0时的波长。例如,在普通X射线管中,管电压为V(伏)时，，其中e为电子电荷。
1a是钨阳极X射线管在不同管压下的连续X射线谱，1b是相同管电压(10kV)下不同阳极材料的连续X射线谱。连续谱的λ0与阳极的原子序数Z无关，它仅与质点的动能有关,Z只影响连续谱的积分强度，X射线的输出功率为kiZV2(i为管电流），其效率为kZV，k=1.1～1.4×10-9。强度最大值的波长。X射线管所发射的连续谱强度在空间各个方向的分布是不相等的。
连续 X射线谱中某一波长的强度与管电压存在着严格的线性关系，根据这一关系外推，可得相应于该波长的管电压，利用这个方法可求得相当精确的两个基本物理常数h和e的比值。
标识（特征）X射线谱，当冲击物质的带电质点或光子的能量足够大时,物质原子内层的某些电子被击出，或跃迁到外部壳层，或使该原子电离，而在内层留下空位。然后，处在较外层的电子便跃入内层以填补这个空位。这种跃迁主要是电偶极跃迁，跃迁中发射出具有确定波长的线状标识X 射线谱。式中εn2和εn1分别是原子系统初态和终态的能量。标识X射线谱通常按发生跃迁的电子状态来分类。电偶极跃迁必须满足选择定则：Δn0，ΔЛ=±1和Δj=±1，0（除j=0→0的跃迁外），其中n、Л、j分别表示主量子数，轨道角动量量子数和总角动量量子数。用K、L、M、N……表示主量子数n=1、2、3、4……壳层的能级，当n=2的电子跃迁到n=1壳层时，所发射出的辐射称Kα系；n=3的电子跃迁到n=1壳层时，其辐射称Kβ系。
n=3的电子跃迁到n=2壳层所发射出的辐射为Lβ系；n=4的电子跃迁到n=2壳层时，其辐射称Lα系。……同理类推可得M系、N系……等标识 X射线谱。经常遇到的是强度大的K系和L系标识X 射线谱。由于能级劈裂，各系谱线由几条相近的波长所组成，如Kβ系由双线所组成，双线的波长差为0.004±0.001┱，Z愈大，相差愈小，λ与λ的强度比约为2：1。物质原子外层的电子状态，也会影响内层电子的能级，因此发射谱还存在着精细结构。
X射线吸收谱，X射线通过试样时，其强度随线吸收系数μ和试样厚度t按指数衰减I-I0e-μt。质量吸收系数μm=μ/ρ=σm+τm这里ρ为试样的密度；σm是散射吸收系数，是表示相干(汤姆孙)散射和非相干(康普顿)散射过程的结果；τm为光电吸收系数，它是由于内光电效应的结果。在0.5～500┱波长范围,τm起主要作用，σm实际上完全由相干散射所决定,其数值约为0.2cm2/g。
这里A是原子量，当(λZ)从8变到1000，ψ(λZ)从0.05线性地增加到 0.5。对于每一种元素，在某一严格确定的波长，μm发生突变。这种μm的跳跃变化，是由于辐射光子的能量增加到一定程度，能够激励正常态的内层电子。如果被激励的是K层电子，得到K系吸收限λK；如果被激励的是L层电子得到L系吸收限λL；……如图2所示。在吸收限之上，随着入射光子能量的增加，吸收曲线上出现振荡起伏变化的小峰（图3）。当能量大于吸收限1keV时，吸收系数单调下降。能量大于吸收限5～30eV，称近吸收限区，这一区域与原子能级和四周原子有关。高于吸收限30～1000eV为扩展吸收精细结构区（见扩展X射线吸收精细结构谱）。这一区域反映着周围原子的影响。