关于X射线谱介绍

[拼音]：X shexianpu

[外文]：X-ray spectra

X射线谱可分为发射区射线谱和吸收区射线谱，波长范围为700～0.1┱。发射谱有两组:连续谱和叠加其中的标识（特征）谱。

高速带电质点(如电子、质子、介子等)与物质相碰，受物质原子核库仑场的作用而速度骤减，质点的动能转化为光辐射能的形式放出。带电质点的速度从υ1降到υ2，相应地发生波长为

的辐射，这是h是普朗克常数，с为光速，m是带电质点的质量。因此连续谱存在一短波限，其最短波长λ0相应于υ2=0时的波长。例如，在普通X射线管中，管电压为V(伏)时，，其中e为电子电荷。

图1a是钨阳极X射线管在不同管压下的连续X射线谱，图1b是相同管电压(10kV)下不同阳极材料的连续X射线谱。连续谱的λ0与阳极的原子序数Z无关，它仅与质点的动能有关，Z只影响连续谱的积分强度，X射线的输出功率为kiZV2(i为管电流），其效率为kZV，k＝1.1～1.4×10-9。强度最大值的波长。X射线管所发射的连续谱强度在空间各个方向的分布是不相等的。

连续 X射线谱中某一波长的强度与管电压存在着严格的线性关系，根据这一关系外推，可得相应于该波长的管电压，利用这个方法可求得相当精确的两个基本物理常数h和e的比值。

当冲击物质的带电质点或光子的能量足够大时，物质原子内层的某些电子被击出，或跃迁到外部壳层，或使该原子电离，而在内层留下空位。然后，处在较外层的电子便跃入内层以填补这个空位。这种跃迁主要是电偶极跃迁，跃迁中发射出具有确定波长的线状标识X 射线谱。其标识线的频率应为

，

式中εn2和εn1分别是原子系统初态和终态的能量。

标识 X射线谱通常按发生跃迁的电子状态来分类。电偶极跃迁必须满足选择定则:Δn0，ΔЛ＝±1和Δj＝±1，0（除j=0→0的跃迁外），其中n、Л、j分别表示主量子数，轨道角动量量子数和总角动量量子数。用K、L、M、N……表示主量子数n=1、2、3、4……壳层的能级，当n＝2的电子跃迁到n＝1壳层时，所发射出的辐射称Kβ系；n=3的电子跃迁到n=1壳层时，其辐射称Kα系。n=3的电子跃迁到n=2壳层所发射出的辐射为Lβ系；n=4的电子跃迁到n=2壳层时，其辐射称Lα系。……同理类推可得M系、N系……等标识 X射线谱。经常遇到的是强度大的K系和L系标识X 射线谱。由于能级劈裂，各系谱线由几条相近的波长所组成，如Kβ系由双线所组成，双线的波长差为0.004±0.001┱，Z愈大，相差愈小，λ与λ的强度比约为2:1。物质原子外层的电子状态，也会影响内层电子的能级，因此发射谱还存在着精细结构。

X射线通过试样时，其强度随线吸收系数μ和试样厚度t按指数衰减I-I0e-μt。质量吸收系数μm＝μ/ρ＝σm+τm这里ρ为试样的密度；σm是散射吸收系数，是表示相干(汤姆孙)散射和非相干(康普顿)散射过程的结果；τm为光电吸收系数，它是由于内光电效应的结果。在0.5～500┱波长范围，τm起主要作用，σm实际上完全由相干散射所决定，其数值约为0.2cm2/g。μm与λ和Z的关系为

，

这里A是原子量，当(λZ)从8变到1000，ψ(λZ)从0.05线性地增加到 0.5。对于每一种元素，在某一严格确定的波长，μm发生突变。这种μm的跳跃变化，是由于辐射光子的能量增加到一定程度，能够激励正常态的内层电子。如果被激励的是K层电子，得到K系吸收限λK；如果被激励的是L层电子，得到L系吸收限λL；……如图2所示。在吸收限之上，随着入射光子能量的增加，吸收曲线上出现振荡起伏变化的小峰（图3）。当能量大于吸收限1keV时，吸收系数单调下降。能量大于吸收限5～30eV，称近吸收限区，这一区域与原子能级和四周原子有关。高于吸收限30～1000eV为扩展吸收精细结构区（见扩展X射线吸收精细结构谱）。这一区域反映着周围原子的影响。

X 射线标识谱和吸收限是元素所特有的，它反映原子内部结构的情况，其波长与跃迁的电子能级有关。根据标识谱线和吸收限的波长与强度，可对物质进行定性和定量分析。可用以证实未知元素和新的人造超铀元素的存在，并确定其在元素周期表的位置。X 射线标识谱和吸收谱的精细结构显示物质能级的精细结构，可用高精密度，高分辨率的谱仪测得。它反映化学键的性质、离子电荷的变化、点阵周围原子的影响、金属合金能带宽度、电介质或半导体的导带与价带的能隙等。如金属Ti到Ti(TiO2)，Ti的K线移动 +0.0042┱，K线移动+0.00018┱，Kα线移动+0.00012┱。Cu在Cu-Ni合金中K谱线宽度增加30％。S的λK吸收限在Cr2S3中为5.0220┱，而在 MgSO4中降为4.9976┱。图3中称为白线结构的ab区的出现，与元素的d和f电子能级没被填满有关。固体X射线谱及其精细结构（位置、形状、宽度）是研究原子结构和固体电子能谱的重要实验方法。

参考书目

1. H.A.Liebhafsky， et al.， X-Ray Absorption and Emission in Analytical Chemistry:Spectrochemical Analysis With X-Ray， John Wiley & Sons， New York， 1960.
2. B.K.Agarwal，X-Ray Spectroscopy;An Introduction，Springer-Verlag， Berlin， 1979.