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X射线荧光原理
2022-05-30 16:28:52
一、X
射线的起源
1895年德国物理学家威廉·康拉德·伦琴研究阴极射线管时,发现阴极能放出一种有穿透力的、肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未知数”,故称之为X射线。
伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类,没有申请专利。
X射线和可见光一样属于电磁辐射,但其波长比可见光短得多,在10-6~10nm。在X射线光谱法常 用波长在0.01~2.5nm。
1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质,为X射线荧光分析方法奠定了基础,1901年诺贝尔奖第一次颁发,伦琴就由于发现X射线而获得了这一年的物理学奖。
二、X射线的本质
X射线的本质是电磁辐射,具有波粒二像性。
(1)波动性
X射线的波长范围:0.01~100 Å
用于元素分析的X射线光谱所使用的波长范围在0.01~11nm
(2)粒子性
特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。
表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应、荧光辐射等。
三、X射线的产生
高速运动的电子与物体碰撞时,发生能量转换,电子的运动受阻失去动能,其中一小部分(1%左右)能量转变为X射线,而绝大部分(99%左右)能量转变成热能使物体温度升高。
产生X射线源有同位素放射源、X射线管、激光等离子体、同步辐射和X射线激光等。
四、X
射线与物质的相互作用
主要概括为四种类型:因光电效应产生的X射线荧光、康普顿散射、瑞利散射和吸收。
(1)X射线荧光的产生
当一束粒子如X射线光子与一种物质的原子相互作用时,在其能量大于原子某一轨道电子的结合能时,就可从中逐出一个轨道电子而出现一个“空穴”,层中的这个“空穴”可称作空位。原子要恢复到原来的稳定状态,这时处于较高能级的电子将依据一定的规则跃迁而填补该“空穴”,这一过程将使整个原子的能量降低,因此可以自发进行。这种跃迁将导致如下几种情况产生:
①
两个壳层之间的能量差以X射线光子的形式发射出原子,该X射线光子的波长与原子的原子序数有关,且其波长大于入射X射线波长,称作X射线荧光。
②
所产生的X射线荧光没有发射出原子,而是将原子中另一电子逐出原子,形成具有双空穴的原子,这一电子称作俄歇电子。
早期人们在用X射线在轰击阳极靶而产生X射线的时候,就发现,有几个高强度X射线,并没有随着加速电子的高压变化而变化,而是在使用不同的靶材之时,其X射线能量会发生变化,后称之为特征X射线,每种元素都有他特有的特征X射线。以W原子为例,核外电子壳层能级、每个壳层电子数及发射La1、Ka1和Ma1特征谱线如下图。
莫塞莱发现了X射线能量和原子序数的关系,公式为 。这个公式被称为莫塞莱公式。莫塞来定律为X射线光谱定性分析奠定了基础,表明X射线的特征谱给人们提供了一种识别新元素的可靠方法——X射线分析法。
(2))X射线在物质中的散射
X射线在物质中的散射现象,可主要分为两种形式:
①
不变质散射(弹性散射,瑞利散射),入射X射线波长不发生变化;
②
变质散射(非弹性,康普顿散射),入射X射线波长发生变化。
原子周围的核外电子,越内层电子与原子核结合的越紧密。光子与内层电子发生碰撞,无法撞动内层电子,固本身的频率波长没有发生变化,称为瑞利散射。光子与外层电子发生碰撞,电子被撞动,光子波长频率发生改变,称为康普顿散射。
五、荧光产额
当一束能量足够大的X射线光子与一种物质的原子相互作用时,逐出一个轨道电子而出现一个空穴,所产生的的空穴并非均能产生特征X射线,还会产生俄歇电子。产生特征X射线跃迁的概率就是荧光产额,俄歇跃迁的概率成俄歇产额。
六、X
射线荧光光谱法
X射线荧光光谱法正是基于以上物理学原理而产生的,从X射线管产生X射线,X射线经过滤或单色化处理入射样品,入射样品X射线与物质相互作用,产生的元素特征X射线荧光,进入探测器记录其强度,能量色散型探测器的各种效应。都有可以遵循的X射线荧光的物理学理论,而这些明确的物理学理论,有大量的规律可循,进而可以建立理论数据库,譬如基本参数库等,也可以将明确的物理学现象数学模型化,利用软件技术,形成针对X射线荧光整个物理过程强大的计算软件。
这也是当前X射线荧光领域研究的热点:基本参数法。
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