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X射线荧光光谱仪（XRF）

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主题：【原创】X荧光射线的产生

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发表于：2010/03/13 20:40:19 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

什么是X射线
X射线可以看作是具有一定波长的电磁波或者是具有一定能量的光子束。两种观点都可取，就看它解释哪种现象更方便。其他类型的电磁波包括光波、无线电波及γ-射线。如图1所示X射线的波长和能量介于γ-射线和紫外光之间（见图1），其波长范围为0.01---10nm；对应的能量范围为：0.124---124keV；X射线的波长与能量成反比，其换算公式为E=hc/λ。式中E是能量，以keV为单位；λ是波长，以 nm为单位；h为普郎克常数；c为光速。当用Kev和nm作为单位时，hc=1.23985。

图1 X射线及其它电磁辐射

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2010/3/13 20:43:04 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用有三种主要类型：荧光、康普顿散射和瑞利散射。当X射线与物质相遇时，一部分射线穿过样品；一部分被样品吸收产生荧光辐射；另一部分被散射回来。散射可能伴随能量损失，也可能没有能量损失。前一种情况称康普顿散射，后一种情况称瑞利散射，荧光与散射取决于物质的厚度、密度、组成及X射线的能量。下面详细介绍荧光和散射产生的机理。

图2 X射线与物质的3种主要相互作用

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2010/3/13 20:56:08 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

康普顿散射
　　物质对X射线的散射。又称康普顿效应。康普顿效应[1]可归结为：①设入射X射线的波长为λ0，在散射光中除原波长的谱线外还出现波长λ＞λ0的谱线。②波长差Δλ＝λ－λ0随散射角θ（散射光与入射光间的夹角）的增加而增加；散射光中波长为λ的谱线强度随θ的增加而增强。③对不图1同元素的散射物质，同一散射角时的波长差Δλ均相同；波长为λ的谱线强度随散射元素的原子序数的增加而减弱。
　　康普顿效应不能用经典的波动理论来解释。1923年A.H.康普顿利用光子概念图2把上述散射效应看成是X光光子与散射物质中静止自由电子作弹性碰撞的结果，从而对康普顿散射作出了正确的解释。光子作为微粒，既有能量又有动量；散射物质中的价电子被束缚较弱可近似看作是自由电子，其能量远比X光子的能量要小，故可看作是静止的；X光子与自由电子作弹性碰撞时遵守动量守恒和能量守恒定律。根据以上考虑可导出波长差Δλ与散射角θ间的关系为
　　Δλ＝(h/MoC)•（1－cosθ）＝λc（1－cosθ），
　　式中h为普朗克常数；m0为电子的静质量；c为真空中的光速；λc＝2.42631×10-2埃是一普适常数，称为康普顿波长。
　　康普顿效应为光的量子性提供了有力证据。

图3 康普顿散射图

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2010/3/13 21:01:22 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

瑞利散射
　　入射光在线度小于光波长的微粒上散射后散射光和入射光波长相同的现象。由英国物理学家瑞利提出而得名。
　　瑞利，十九世纪最著名的物理学家之一，1842年11月12日出生于英国的莫尔登。据说，瑞利刚开始上学时并不用功，他虽然人很聪明，可却十分贪玩，学习成绩一直平平。10岁那年曾连续两次逃学，为此，他的爸爸妈妈很替他着急，为了孩子的前途，他们决定迁居伦敦。环境的改变，对瑞利的成长起到了良好的作用。另外，瑞利的父母还特地为他聘了一名家庭女教师，从此瑞利一改以前贪玩的习性，一心埋进书本中。
　　瑞利对物理学曾出了很大的贡献，他在声学、波的理论、光学、光的散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献，1904年，他因和拉姆塞同时发现了惰性元素氩（Ar）而荣获了该年度的诺贝尔物理学奖。
　　1871年，瑞利在经过反复研究，反复计算的基础上，提出了著名的瑞利散射公式，当光线入射到不均匀的介质中，如乳状液、胶体溶液等，介质就因折射率不均匀而产生散射光。瑞利研究表明，即使均匀介质，由于介质中分子质点不停的热运动，破坏了分子间固定的位置关系，从而也产生一种分子散射，这就是瑞利散射。瑞利经过计算认为，分子散射光的强度与入射光的频率（或波长）有关，即四次幂的瑞利定律
　　正午时，太阳直射地球表面，太阳光在穿过大气层时，各种波长的光都要受到空气的散射，其中波长较长的波散射较小，大部分传播到地面上。而波长较短的蓝、绿光，受到空气散射较强，天空中的蓝色正是这些散射光的颜色，因此天空会呈现蓝色。
　　正是由于波长较短的光易被散射掉，而波长较长的红光不易被散射，它的穿透能力也比波长短的蓝、绿光强，因此用红光作指示灯，可以让司机在大雾迷漫的天气里容易看清指示灯，防止交通事故的发生。

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2010/3/13 21:05:44 地毯管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

特征X荧光射线的产生(一)
经典的原子模型中，原子是由原子核和核外电子组成，原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，核外电子分布在一定的轨道上，最内层称K层，往外依次为L层、M层等，L层又分为LⅠ、LⅡ和LⅢ三个子壳层，M层分为MⅠ、MⅡ、MⅢ、MⅣ和MⅤ五个子壳层。K层有2个电子，L层有8个，M层有18个。一个电子所具有的能量取决于它所属的元素及所处的壳层。当采用能量足够高X光子和电子辐照原子时，就会从原子中逐出电子（图4），并在轨道上产生了一个空位，例如K层上产生一个空位，使原子处于不稳定的高能态，原子要恢复到原来的稳定状态，就必须由外层的电子（例L层）跃迁到K层，以填补这个空位。L层的能量比K层高，所以当L层的电子转移到K层时，多余的能量就以X射线光子的形式放出，在光谱中，可视为一条线。所发射的这种X射线的能量取决于壳层空位与等于L层和K层轨道间的能量差。每个原子的能量是一定的，所以发射出的特征谱线也是一定的，由于可以由不同的外层电子来填补内层的空位，所以每个原子的特征谱线不止一条。这些谱线是该元素的特征，或多或少是该元素的指纹图。

图4 特征X射线的产生

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2010/3/13 21:12:02 地板管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

特征X荧光射线的产生(二)
为从原子逐出一个电子，X射线的能量必须大于该电子与原子的结合能。如果入射辐射被吸收，从原子逐出一个电子，所产生的荧光随吸收能量的增加而增强，但如果入射光能量太高，则大部分光子穿过原子，只有很少的电子被逐出。从图5中可看出，高能量入射线很难被吸收，所以产生的荧光也少，随着入射光能量的降低，越来越接近于电子的结合能，越来越多的入射光能量被吸收，当光子的能量刚好大于电子被逐出的结合能时，得到的荧光产额最高。当入射光能量降到电子结合能以下时，就出现了吸收边，即突变，因为这时入射光能量太低，不足以从壳层逐出电子，而对于更低能量的电子轨道，它的能量又太高。图5中显示了K层吸收边和L层的LⅠ、LⅡ和LⅢ三个吸收边。

图5 吸收与能量

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2010/3/13 21:14:18 6楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

特征X荧光射线的产生(三)
并不是所有的入射光都变成了荧光，荧光产额等于荧光射线的光子数和电子层上产生的空位数比值。图6显示了K线和L线的荧光产额随原子序数Z的变化情况。图中可以很明显地看出轻元素的产额很低，这也就是为什么轻元素难测定的缘故。

图6 K层和L层的荧光产额

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2010/3/13 21:16:33 7楼管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

特征X荧光射线的产生(四)
有几种方法来表示不同的谱线，最常用的是Siegbahn和IUPAC两种符号，Siebahn表示方法为：元素符号后面是产生空位的电子层名称，然后是希腊字母α、β、γ，表示谱线的相对强度，例Fe-Kα就是铁元素K系的最强线，但Siegbahn表示法不能表示是哪一层的电子填充的空位。IUPAC表示法中，元素符号后面是产生空位的电子层名称，然后是填充空位的电子层的名称，例Cr-KLⅢ表示Cr的LⅢ层电子填充K层电子层空位所产生的谱线，一般来说，K系谱线能量大于L系谱线，L系谱线能量又大于M系谱线, 依此类推。量子力学理论表明，并不是所有电子层之间的跃迁都是可行的，例如LⅠ层和K层间就不能产生跃迁。图7给出的是最常用谱线的生成示意图。