《材料研究與測(cè)試方法》-X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

材料研究與測(cè)試方法DoctorHaoLi（李豪）lihao_2013@126.coutlineTheoryCourse(24h)QuantitativeMetallographicTechnique(2h)X-RayDiffraction(XRD)(8h)TransmissionElectronMicroscope(TEM)(6h)ScanningElectronMicroscope(SEM)(4h)AugerElectronSpectroscopy(AES)(2h)IonMicroprobeAnalysis(IMA)(2h)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.1X射線的發(fā)現(xiàn)3.2X射線的本質(zhì)3.3X射線的產(chǎn)生3.4X射線譜3.5X射線與物質(zhì)相互作用3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.1X射線的發(fā)現(xiàn)WilhelmR?ntgen(1845-1923)Nov.8,1895，德國(guó)物理學(xué)家倫琴(W.R?ntgen)在研究真空管中的高壓放電現(xiàn)象(陰極射線)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一種新射線從固體上發(fā)出來(lái)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)：1、以直線方式傳播；

2、有很高的穿透能力；

3、可使照相底片感光；

4、激發(fā)熒光，使空氣電離。Dec.28,1895.W.R?ntgen報(bào)道了這一現(xiàn)象。由于不清楚該射線的本質(zhì)，所以命名“X”射線。X射線的發(fā)現(xiàn)，為材料科學(xué)與工程研究提供了全新的分析測(cè)試方法。1895年12月22日

3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1901年，WilhelmR?ntgen獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1914年，MaxvonLaue獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（discoveryofthediffractionofX-raysbycrystals）1915年，Bragg父子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；

（theanalysisofcrystalstructurebymeansofXrays）

1921年，AlbertEinstein獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；

(TheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect)1927年，A.H.Compton獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

(discoveryoftheComptoneffect)

3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.2X射線的本質(zhì)X射線的本質(zhì)是電磁波，與可見(jiàn)光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像性。⑴波動(dòng)性⑵粒子性3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)⑴波動(dòng)性X射線是波長(zhǎng)在10-8~10-12m范圍內(nèi)，具有極強(qiáng)穿透能力的電磁波。表現(xiàn)形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動(dòng)性。X射線晶體勞厄斑晶體的三維光柵3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（?）,或者通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1?=10-10m1nm=10-9m⑴波動(dòng)性3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征表現(xiàn)為以光子（光量子）形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率ν、波長(zhǎng)λ以及其光子的能量ε、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系：每個(gè)光子的動(dòng)量為：每個(gè)光子的能量為：式中：h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34J.s?c——X射線的速度，等于2.998×108m/s.⑵粒子性3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3X射線的產(chǎn)生

產(chǎn)生X射線的方式：

⑴

X-射線管

—重點(diǎn)

⑵同步輻射光源

—了解

⑶X-射線激光

⑷激光等離子體光源3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3.1X射線管—重點(diǎn)

產(chǎn)生原理

—重點(diǎn)

產(chǎn)生條件

—重點(diǎn)

X-射線管結(jié)構(gòu)

過(guò)程演示3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管產(chǎn)生X射線的原理

高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管產(chǎn)生X射線的條件1.產(chǎn)生自由電子的電子源，如加熱鎢絲產(chǎn)生熱電子2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)施加在陽(yáng)極和陰極（鎢絲）間的電壓3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。4.真空把陰極和陽(yáng)極密封在真空度高于10-3Pa的真空中，保持兩極潔凈并使加速電子無(wú)阻地撞擊到陽(yáng)極靶上。常規(guī)的X射線產(chǎn)生裝置3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X-射線管結(jié)構(gòu)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（10-5~10-7mmHg）二極管?；窘M成包括：(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。(2)陽(yáng)極：靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管結(jié)構(gòu)(3)窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

過(guò)程演示3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3X射線的產(chǎn)生

產(chǎn)生X射線的方式：

⑴X-射線管

—重點(diǎn)

⑵同步輻射光源

—了解

⑶X-射線激光

⑷激光等離子體光源3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3.2同步輻射同步輻射產(chǎn)生X射線的原理

利用電子在作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)能輻射電磁波的原理，輻射電磁波的光子能量在2479.7—0.0496keV范圍的稱為同步輻射X射線。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3.2同步輻射同步輻射光源20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)。是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿切線方向發(fā)出電磁輻射—同步光（同步輻射）。電子同步加速器（1947美國(guó)通用電器）。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的，后來(lái)成為一種從紅外到硬X射線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3.2同步輻射同步輻射光的特點(diǎn)⑴波段寬：具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào)?⑵高亮度；⑶高準(zhǔn)直度；⑷高偏振性；⑸高純凈性；⑹窄脈沖；⑺精確度高；⑻高穩(wěn)定性；⑼高通量；⑽微束徑；⑾準(zhǔn)相干等獨(dú)特的性能。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3.2同步輻射同步輻射裝置

世界上有近40臺(tái)同步輻射光源正在運(yùn)行，還有幾十臺(tái)在設(shè)計(jì)建造中。北京同步輻射裝置（BSRF）合肥中國(guó)科技大學(xué)同步輻射裝置（NSRL）上海光源（SSRF）屬第三代光源。臺(tái)灣新竹的同步輻射裝置（SRRC）3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)同步輻射裝置3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.3.2同步輻射同步輻射的特殊應(yīng)用——利用高的空間分辨率：1、同步輻射X衍射技術(shù)在三維結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的應(yīng)用2、細(xì)胞膜通道的研究3、光合作用機(jī)制的研究4、能量轉(zhuǎn)換的研究5、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究6、基因轉(zhuǎn)錄的研究7、病毒生物大分子結(jié)構(gòu)的研究3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.4X射線譜Mo的X射線譜(示意圖)定義：X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的曲線。

其強(qiáng)度大小由單位面積上的光量子數(shù)決定。由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類型：（1）連續(xù)的X射線譜（2）特征的X射線譜3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.4.1連續(xù)X射線譜

具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見(jiàn)光相似，亦稱多色X射線。產(chǎn)生機(jī)理演示過(guò)程短波限X射線的強(qiáng)度3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

連續(xù)X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理

能量為eV的電子與陽(yáng)極靶的原子碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。

單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子數(shù)目是很多的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，逐漸地?fù)p耗自身的能力，即產(chǎn)生多次輻射，由于多次輻射中光子的能量不同，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

連續(xù)X射線譜產(chǎn)生演示3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

連續(xù)X射線譜短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱為短波限λ0。它是由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于X射線傳播方向的單位面積上光子數(shù)目（能量）的總和。常用單位是J/(cm2·s).X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hν和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的，即I=nhν，因此連續(xù)譜中強(qiáng)度極值不在短波限，而在約1.5λ0處。

連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度，也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流、管電壓、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：I連=KiZV2K：1.1×10-9~1.4×10-9；Z：靶材原子序數(shù)；V：管電壓；i：管電流且X射線管效率η為電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即

連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

連續(xù)X射線譜隨管電壓、管電流、原子序數(shù)的變化強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)、短波限、線譜寬度3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.4.2特征X射線譜

含義——由一定波長(zhǎng)的若干X射線疊加在連續(xù)譜上構(gòu)成，也稱單色X射線和標(biāo)識(shí)X射線。當(dāng)管電壓超過(guò)某臨界值時(shí)才能激發(fā)出特征譜，如Mo靶，當(dāng)U管高于20Kv時(shí)才出現(xiàn)特征峰，如右圖所示。U管=35Kv時(shí)，波長(zhǎng)0.63?和0.71?處出現(xiàn)特征峰。這種譜線的波長(zhǎng)與X射線管電壓、管電流等工作條件無(wú)關(guān)，只決定于陽(yáng)極材料，不同元素的陽(yáng)極材料發(fā)出不同波長(zhǎng)的X射線。因此叫特征X射線。鉬陽(yáng)極管發(fā)射的X射線譜3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.4.2特征X射線譜1.特征X射線的特性管電壓特征強(qiáng)度特征特征波長(zhǎng)取決于原子序數(shù)---

Mosley定律2.產(chǎn)生機(jī)理3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

特征X射線的特性

激發(fā)管電壓特征：每一條譜線對(duì)應(yīng)一定的激發(fā)電壓，只有當(dāng)管電壓超過(guò)激發(fā)電壓時(shí)才能產(chǎn)生相應(yīng)的特征譜線，且靶材原子序數(shù)越大其激發(fā)電壓越高。當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，特征譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。強(qiáng)度特征：每個(gè)特征射線都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長(zhǎng)，不同靶材的特征譜波長(zhǎng)不同。如管電流和管電壓V的增加只能增強(qiáng)特征X射線的強(qiáng)度，而不改變波長(zhǎng)。K系特征X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線譜的頻率（或波長(zhǎng)）只與陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年Mosley發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長(zhǎng)與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：

根據(jù)Mosley定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長(zhǎng)，與已知的元素波長(zhǎng)相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)。

對(duì)于特定物質(zhì)的兩個(gè)特定能級(jí)之間的能量差一定，輻射出的特征X射線的波長(zhǎng)一定。

特征X射線的特性---Mosley定律3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

特征X射線的特性---Mosley定律3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

特征X射線譜產(chǎn)生機(jī)理

特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過(guò)某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子在電場(chǎng)加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。

陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。

3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。

產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WK＝hνK，陰極電子的能量必須滿足eV≥WK＝hνK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK，VK稱之臨界激發(fā)電壓。

處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的能量以X射線形式輻射出來(lái)。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級(jí)間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長(zhǎng)一定。

特征X射線譜產(chǎn)生機(jī)理3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)K電子被打出K層時(shí)，如L層電子來(lái)填充K空位時(shí)，則產(chǎn)生Kα輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差，即同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ輻射。M能級(jí)與K能級(jí)之差大于L能級(jí)與K能級(jí)之差，即一個(gè)Kβ光子的能量大于一個(gè)Kα光子的能量；但因L→K層躍遷的幾率比M→K遷附幾率大，故Kα輻射強(qiáng)度比Kβ輻射強(qiáng)度大五倍左右。

特征X射線譜產(chǎn)生機(jī)理3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)顯然，當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N……層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M……等系的輻射。除K系輻射因波長(zhǎng)短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長(zhǎng)長(zhǎng)而被吸收。

LK1K2IIIIIIMKα雙線的產(chǎn)生與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的8個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。Kα雙線系電子分別由LⅢ和LⅡ兩個(gè)亞層躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時(shí)Δl＝0），因此沒(méi)有輻射。

特征X射線譜產(chǎn)生機(jī)理3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線譜小結(jié)X射線產(chǎn)生機(jī)制譜圖特征應(yīng)用連續(xù)譜(軟X射線)高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化是衍射分析的背底：醫(yī)學(xué)采用特征譜(硬X射線)高能級(jí)電子回跳到低能級(jí)多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波僅在特定波長(zhǎng)處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰衍射分析采用3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.5X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用是一個(gè)復(fù)雜物理過(guò)程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)的方向傳播。一束X射線通過(guò)物體后，其強(qiáng)度將發(fā)生衰減，這是被吸收和散射的結(jié)果，且吸收是主要原因。X射線的散射X射線的吸收X射線的衰減規(guī)律吸收限的應(yīng)用3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.5X射線與物質(zhì)相互作用X射線衍射成分分析無(wú)損檢測(cè)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的散射分相干散射和非相干散射兩類。（1）相干散射

當(dāng)X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。

由于散射線與入射線的波長(zhǎng)和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱相干散射。

相干散射并未損失X射線的能量（頻率或者波長(zhǎng)沒(méi)變），而只是改變了它的傳播方向。因此相干散射又稱為彈性散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)3.5.1X射線的散射3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)相干散射強(qiáng)度一個(gè)電子的散射強(qiáng)度3.5.1X射線的散射討論：1、由一個(gè)電子散射到相距R的P點(diǎn)的散射波強(qiáng)度只是入射波的強(qiáng)度的極小一部分。2、散射強(qiáng)度與距離的平方成反比。3、各個(gè)方向上散射強(qiáng)度不同。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（2）非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開(kāi)原來(lái)方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。也稱為康普頓散射。

散射線波長(zhǎng)比入射線波長(zhǎng)要長(zhǎng)。3.5.1X射線的散射3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)λλ′Compton-Wu散射---X射線粒子性的證明

入射X射線光子與原子中受核束縛較弱的電子發(fā)生碰撞。散布于各個(gè)方向的散射波波長(zhǎng)互不相同，與入射波的相位不存在確定關(guān)系，不能互相干涉。形成連續(xù)背底，給衍射圖象帶來(lái)不利的影響，特別對(duì)輕元素。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線散射小結(jié)X射線散射作用機(jī)制特點(diǎn)作用結(jié)果相干散射與原子內(nèi)緊束縛電子剛性碰撞波長(zhǎng)與入射波相同有一定的位相關(guān)系相互干涉產(chǎn)生衍射條紋非相干散射與自由電子或原子內(nèi)緊束縛電子非剛性碰撞波長(zhǎng)與入射波不同不互相干涉由于散射于各個(gè)方向，強(qiáng)度很低，形成連續(xù)的背景3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。當(dāng)X射線的波長(zhǎng)足夠短時(shí)，光子能量可把原子中處于某一能級(jí)上的電子打出來(lái)，而它本射被吸收。因此，Ｘ射線的強(qiáng)度被衰減。有時(shí)將X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)造成的能量損失稱為真吸收。X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對(duì)X射線的真吸收過(guò)程。3.5.2X射線的吸收3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)——物質(zhì)在光子作用下放出電子的過(guò)程。

當(dāng)一個(gè)具有足夠能量的光子從原子內(nèi)部擊出一個(gè)K層電子時(shí)，會(huì)發(fā)生象電子激發(fā)原子時(shí)類似的輻射過(guò)程，即產(chǎn)生特征X射線。這種以光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過(guò)程稱為光電效應(yīng)，被擊出的電子稱為光電子。

伴隨光電效應(yīng)而發(fā)生的有熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。

光電效應(yīng)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)激發(fā)k系光電效應(yīng)時(shí)，入射光子的能量必須等于或大于將K電子從K層移至無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)所作的功ωk，即將激發(fā)限波長(zhǎng)λk和激發(fā)電壓Vk聯(lián)系起，即式中VK以V為單位。教材（1－3）式和（1－12）式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說(shuō)明連續(xù)譜的短波限λ0隨管電壓的增高而減小，而后者說(shuō)明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長(zhǎng)都有它自己特定的值。從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱λK為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱λK為吸收限。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)由法國(guó)物理學(xué)家俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)現(xiàn)。原理：俄歇效應(yīng)是外層電子躍遷到空位時(shí)將多余的能量ΔE激發(fā)另一個(gè)核外電子，使之脫離原子。例如，當(dāng)K層上電子被打出后，L2層電子會(huì)躍入K層，而將多余的能量傳遞給L3、M、N等層電子，使之脫離原子，這樣脫離的電子稱為俄歇電子，俄歇電子常用參與俄歇過(guò)程的三個(gè)能線來(lái)命名，如KL1L2表示K層電子被打出后，L1層電子躍入K層，將多余的能量ΔE傳遞給L2層電子，使L2層電子脫離原子。

俄歇效應(yīng)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)俄歇效應(yīng)原理圖

3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)俄歇效應(yīng)應(yīng)用

對(duì)于特定材料其俄歇電子具有特定的能量，測(cè)定其能量（俄歇電子能譜）可以確定原子的種類。因此，利用俄歇電子能譜可以進(jìn)行元素成分分析。

不過(guò)，俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測(cè)到的只是表面兩三個(gè)原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具。3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)熒光效應(yīng)即X射線光致發(fā)光現(xiàn)象。外層電子填補(bǔ)空位時(shí)將多余的能量ΔE用來(lái)輻射次級(jí)特征X射線，這種由X射線激發(fā)出的次級(jí)X射線稱為熒光X射線。在一般的衍射工作中，熒光X射線增加衍射花樣的背影，是有害因素。但熒光X射線的波長(zhǎng)只取決于物質(zhì)中原子的種類(由Moseley定律決定)，利用熒光X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，可確定物質(zhì)元素的組分及含量，這時(shí)X射線熒光分析的基本原理。

熒光效應(yīng)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)熒光效應(yīng)原理圖

3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線吸收小結(jié)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子，它帶有殼層的特征能量，所以可用來(lái)進(jìn)行成分分析(XPS)俄歇電子高能級(jí)的電子回跳，多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子送出去,這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子帶有殼層的特征能量(AES)二次熒光高能級(jí)的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個(gè)二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線散射、吸收小結(jié)散射散射無(wú)能量損失或損失相對(duì)較小相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)，只有相干散射才能產(chǎn)生衍射。散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換,多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行，從而帶有殼層的特征能量，因此是揭示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具可以在分析成分的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.5.3X射線的衰減xdx當(dāng)X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，因受到散射、光電效應(yīng)等的影響，強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。衰減的程度與物質(zhì)的厚度和密度有關(guān)。:線衰減系數(shù):穿透系數(shù):質(zhì)量衰減系數(shù)3.X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的質(zhì)量衰減系數(shù)X射線的質(zhì)量衰減系數(shù)表示單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：其中，K為常數(shù)。隨λ的變化是不連續(xù)的，其間被尖銳的突變分開(kāi)。突變對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為K吸收限。當(dāng)波長(zhǎng)減小到λK時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)產(chǎn)生一個(gè)突變，這是由于入射光子能量