特征X射线是怎么产生的

陕西科技大学材料加工工程的都知道

当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子处于能量较高的激发状态。此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X射线释放出来。

高速电子撞击材料后,材料内层电子形成空位,外层电子向空位跃迁会辐射x射线.不同材料x射线波长不同,所以叫特征x射线.例如铜kα线.

1、X射线的产生

 X射线的产生可有4种途径：

 ① 用高能电子束轰击金属靶产生强流电子束硬X射线）

 ② 利用放射性同位素源（如60Co）发射衰变过程中的X射线；

 ③ 由同步辐射加速器，辐射源获取等离子体X射线辐射光源；

 ④ 用初级X射线照射物质，再发射出次级（或二级）X射线。称为X射线荧光（或荧光X射线）。

 一般实验室常用的是X射线管发生的X射线。高真空管中的阴极灯系（一般用钨）受热发生*电子，它在高电压电场作用下高速地撞向阳极（称为靶），高能电子被靶猝然停止，电子动能除转变为热能外，还少部分转换为光量子，即为X射线或X光或伦琴射线。发出阳极靶材料常用高熔点、导热性好的金属材料，如铜、钼、镍等。为获取不同波长的X光，也在靶面上镶嵌（或镀）一层过渡元素金属。按波长增高顺序分别为W，Ag，Mo，Cu， Ni，Co，Fe，Cr等。为防止靶面被烧毁，靶体内用循环水冷却降温，大功率X射线衍射仪中多采用转靶X射线管。

 X射线具有波动性和粒子性。波动性显示为有频率和波长，能表现出衍射现象；粒子性表现为光子数可计数性，每个X射线光子具有该频率的最小能量E。当X射线与物质交换能量时，以光子为单位地被吸收或发射，产生吸收、光电效应、散射、气体电离等现象。X射线的光子能量大小决定其穿透力，波长短的硬X射线比波长长的软X射线穿透力更强。而一定波长X射线的强度是由单位时间内通过截面的光子数目所决定。

2  X射线谱

 X射线谱是由连续谱和特征谱两部分组成。

2.1  连续谱

 由于撞靶电子数目极多（管流10mA时可达每秒1017个电子），不同的击靶时间、穿透深度，电子不会只碰撞一次就停止，会碰击多次，其动能分成若干次转换为X射线，且各次转变能量不等，根据hν=ΔE，频率ν也不等，从而形成一片频域分布很宽、频率连续连成的X射线连续谱或“白色”谱。连续X射线谱只在X射线吸收分析及衍射平板照相法中使用。在使用单色X射线的应用中，连续谱只能造成不希望有的背景，可用滤波片或晶体单色器除去。

 X射线连续谱具有一定的起始电压（称激发电压）。连续谱波长和强度分布受阳极靶材料、工作电压、工作电流等影响，见附图。具体数值有资料可查。

2.2  特征谱（或线光谱、标识谱、标帜谱、特征X射线）

 当高速电子能量大到一定程度（靶材料产生X射线的临界值）后，高能电子可以把靶面材料原子结构中内层电子撞击出去，使原子处于不稳定的激发状态；为使原子恢复至稳定的低能态，邻近层的高能态电子立即自发地填补其空穴，该电子出发地能级E2扣除空穴处能级E1后多余的能量以能量辐射形式(hν=E2-E1)释放，此即为X光（X射线）。其波长约为10-12~10-8 m。由于不同原子具有不同的电子结构，原子内不同电子轨道间的跃迁能级之差各不相同，因此产生的X射线的频率（或波长）和强度均带有各自原子结构的印记特征，称其为特征X射线。一个原子的若干条波长一定而强度很大的X射线簇组成该原子的特征X射线谱。它是反映和辨别不同元素存在的判断依据。例如：Cu(Z=29)的特征X射线波长和强度：

特征X射线   Kα1     Kα2  •••    Kβ1   •••   Lα1      Lβ1     •••

    λ (Å) 1.540   1.544  ...   1.392   ...  13.333   13.056    ...

 IλΔλ(45KV)└    1290     ┘└   235    ┘     

 附图是钨的X射线光谱特征及其强度分布（在100KV下）。

 特征X射线谱中特征谱线的命名，主要依据是：

某电子层电子被激发的谱线，称为某系激发，如K系激发。

伴随到空穴所在电子层跃迁的X谱线称为该目的地电子层系谱线，如跃迁到K层的谱线是K系谱线（或K线系、K系辐射）。L系线是由L层以外层（M、N、···层）跃迁到L层的谱线；余类推。

来自外层的跃迁，其出发地位于目的地下一层的，称为α；下下一个电子层的称为β；下下下层的为γ。余类推。L、M层跃迁至K层的为Kα、Kβ谱线；M层电子跃至L层的称为Lα。

从不同亚层到不同亚层的跃迁，再用1、2、3、···脚标加以区别。电子能级（IUPAC标识）及相应特征X射线系谱线（Siegbahn标识）见表5.1。

 一般，强度比I K1 / I K2 / I K = 100：50：22，由于铜的K1和K2波长相差很小（0.0004 nm，表5.1），所以在低分辨时两者难以分开，统称为Cu的K谱线。计算时取加权平均K = (2K1+ K2)/3 = 1.54178(埃)或=1.5418埃。又一资料称Cu的 K = (2K1+ K2)/3 = （2x1.54095 + 1.54442）/3 = 1.54187(埃)。由于从原子序数Z=23钒到Z=47银的K线系波长均落在特征元素分析和物相反析所用的X射线波长（0.5~2.5 Å）范围内，所以它们均适用作这些应用的K光源的靶材。

 X射线特征谱由于①不同元素具有不同的X射线特征线，②各元素谱线数量少，尤其相对于可见光原子光谱，③波长和元素原子序数Z关系简单：莫塞莱（Mosley）定律：

 1/λ =KR(Z - σ)^2

 其中，K—常数，R—里德堡常数，σ—屏蔽常数，故，X射线特征谱特别适合于元素组成、元素含量的定性定量分析。

【参考我编著的《仪器分析谱学》书稿】