【原创】每周学物理——第一讲 固体X射线物理基础

三，连续X射线光谱和特征X射线光谱
由靶射出的X射线是很复杂的，是具有各种波长各种强度的X射线的混合而成的。在X射线本质上（即产生的机制）有不同的两类光谱：即连续光谱和特征光谱。
1，连续X射线光谱
连续x射线光谱(或称白色x射线)是由于快速移动的电子在靶面突然停止而产生的。每一个电子，由于突然停下来的结果，它把它的动能的一部分变为热能，一部分变为一个或几个x射线量子。由于电子的动能转变为X射线能量的有多有少，所放出的X射线的频率有所不同。因此，由此产生的X射线谱是连续的，但是有一个最短波长的极限，这相当于某些电子把其全部的能量转变为量于能量时，频率最大的情况。连续谱线中最短波长与X射线管的电压有关。
连续谱线应用不广，只有劳埃法才用它。在其他方法中它只能造成不希望有的背景。
2．特征x射线光谱
特征X射线光谱产生的原因与连续光谱完全不同。由阴极飞驰来的电子，在其与阳极的原子相作用时，把其能量传给这些原子中的电子，把这些电子举到更高一级的能阶上；换句话说，就是把原子的内层电子打到外层或者甚至把它打到原于外面，而使原子电离，从而在原子的内电子层中留有缺席的位置。
此时原子过渡到不稳定的受刺激的状态。原子停留在这样的受刺激状态的寿命不超过10-3秒，外层的电子立即落到内层填补空位。当发生这种过渡时，原子的能量重新减少，多余的能量就作为x射线量子发射出来X射线的频率由下式决定：
hμ=ω2-ω1
式中ω1和ω2为原子的正常状态能量和受刺激状态时的能量。
当打去K层电子时，所有靠外边纳电子层中的电子都可能落到那个空位上，留到那个空位置上时就产生K系的X射线光谱。Kα系线中，K线相当于电子由L层过渡到K层，Kβ线相当于电子由M层过渡到K层。当然Kβ线比Kα线频率要高，波长较短。整个K系X射线波长最短。结构分析时所采用的就是K系X射线。
当由阴极飞驰来的电子打掉L层上的电子时，则发生L系x射线。如果打掉双层的电子，则产生JV系X射线。L、M系射线波长较长，易被吸收，在结构分析中，一般遇不到。
由于各类原子的能阶有别，所以特征x射线的波长随阳极的材料而异。特征x射线的波长与阳极材料的原于序数的平方成反比。
飞驰到阳极上的电子能够把阳极材料中原子内某一个能阶上的电子打掉，则飞驰来的电子必须衬足够的动能；换言之，加于X射线管上的电压必须超过某一个确定的数波。原子里面，电子愈靠近原子核，则与核联系愈紧密。因此，激发尺系射线所需的电位比激发L系线要高；而L系线比M线要高。
同是K层电子，在不同原于中与原于核联系的紧密程度亦有差异。当然，原子序数愈高，则原子核对K层电子的联系也愈紧，激发K层电子所需的电压也愈高。
产生各种特征X射线所必须的最低电压称为激发电压，激发电压随原于的种类以及射线的种类而异。
在x射线结构分析工作中，采用的是特征x射线(主要是Kα)：为了使特征X射线在光谱中突出，工作电压一般比K系射线的激发电压高5倍左右。

四，X射线与物质的相互作用
X射线射入晶体后，发生一系列的复杂的现象：入射x射线的一部分能量透射过晶体；其余的能量分为两部分一部分用来产生二次射线，一部分给予了晶体中的电子。
二次射线有以厂几种：
(1)古典散射或称相干散射：
这是由于入射X射线引起晶体中的电子的振动，从而产生的二次射线，这种射线与入射X射线的波长相等。x射线结构分析就是利用这种散射。关于它以后还耍详细讨论。
(2）特征散射或称萤光散射：
这是由于入射X射线使晶体中的原于处于激发状态，当原子由激发状态恢复到正常状态时释放出来的能量就转变为x光量子。其波长与晶体中原子的种类有关。特征散射是X射线光谱定性、定量分析的基础，用x射线光谱分桥可以测定矿物中TR、Nb、Ta、Zr、Hf和Th、U的含量；但在结构分析中，特征散射只能产生不希望有的背景。
（3)量子散射或称不相干放射；
这是由于入射X射线的量子与原子的外层电子相碰而产生的，由于外层电子受到的约束校弱，可以认为是自由的电子。当量子与这种电子相碰时，量子把一部分能量传给电子，电子于是就以一定的能量飞出原子之外，剩下来的那一部分能量变为能量比较小、频率较低的量子。因此量子散射的波长比入射X射线的波长要长些。
入射X射线的另一部分能量则消耗于产生热能或产生光电效应。

五，X射线衍射本质
当X射线进入品体之后，可以发生多种现象，而其中对晶体构造研究最主要的是所谓衍射现象(或称绕射现象)。今将其实质简述于下。
射入晶体X射线／(原始X射线)，引起了晶体中原子之电子的振动，振动着的电子因而发出X射线来。这样一来，每个原子就作为一个新的X射线光源向四周放射X射线，是为次生X射线。这种现象就是前章所说的古典散射或相干散射。次生X射线显然具有与原始x射线相同的波长，但其强度却非常小，单一原
子的次生X射线是微不足道的。但是在晶体中存在有周期重复的原子，内这些原子所产生的次生X射线会发生干涉现象。干涉的结果可以使次生X射线互相叠加(增强)或互相抵消(减弱)。由光学中知道，干涉现象是由于在不同光源射出的光线之间存在行程差而引起的。只有当行程差等予波长的整数倍时，光波才能互相叠加；而在其余的情况下则减弱，当减弱的干涉现象多次重复(即次生光源很多)时，次生光线会抵消殆尽。由于晶体中各原子所射出之次生x射线在不同的方向上具有不同的行程。差，只有在某些方向上行程差等于整数个波长，也就是说在某一些方向上次生x射线可以叠加起来成为衍射线，而可使胶片感光，在底片上围绕首中心斑点O就会出现一些较小的斑点，这些小斑点就是内衍射线所造成的。

X射线的物理基础关键在于搞清楚以下几个问题：
1，什么是X射线
2，X射线是怎么产生的
3，X射线可以用来干什么
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1.x射线是一种波长很短的电磁波，其波长介于γ射线和紫外线之间

2.产生x射线的方法，是使快速移动的电子骤然停止止其运动，则电子的动能可部分转变成X光能

3，X射线可以用来干什么
可以干很多事情
就波粒二相性来说，粒子性，其能电离气体、轰击靶、高能粒子等
波动性，其衍射本质从而说明其应用于衍射测定物质内部 结构、金属探伤、XPS等。