X射线与物质相互作用

X射线是在空间传播的电磁波，当遇到物质时，就会与物质发生复杂的能量转换过程。

p一部分射线可能沿原入射线束方向透过物质继续向前传播；

p其余能量在物质的相互作用的复杂物理过程中被衰减吸收，之后得到不同的产物。

一、X射线的散射

是指沿一定方向运动的X射线光子流与物质中的电子相互碰撞后，向周围弹射开来的现象（改变前进方向）。散射又可分为相干散射和非相干散射。

                          相干散射

当X光子与受原子核束缚很紧的内层电子相碰撞时，X光子仅改变运动方向，能量没有损失。这种散射线的波长与入射线的波长相同，并具有一定的相位关系，它们可以互相干涉，形成衍射图样，故称相干散射。相干散射是X射线晶体衍射的基础。 

非相干散射

当X射线光子与束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相碰撞时，电子被撞离原子并带走光子的一部分能量而成为反冲电子。而X射线光子也因能量损失使波长变长并改变了入射的方向而偏转了一个角度2q，如图所示。

散射线l¢：波长比入射X射线长，且波长随着散射方向不同而改变。

这种散射现象首先由康普顿（A.H.Compton）和我们物理学家吴有训发现，称为康普顿散射或康普顿-吴有训散射。称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。

p不相干散射线由于波长各不相同，因此不会互相干涉形成衍射线，它们散布于各个方向，强度一般很低，在衍射分析中只会形成连续的背景。

p不相干散射随入射X光的波长减小而增大，随被照射物质原子序数的减小而增大。不相干散射对衍射分析工作会产生不良的影响。 

二、X-射线的真吸收

• 当X射线穿透物质时，由于与物质相互作用产生了散射和真吸收过程，而使X射线的能量发生衰减，我们把由于光电效应、俄歇效应和热效应而消耗的那部分入射X射线能量称为物质对X射线的真吸收。X射线的衰减主要由真吸收造成的，散射只占很小一部分。

• X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减。

光电效应

X射线把原子中处于某一能级的电子打飞，使之脱离原子成为具有一定能量的光电子，使原子处于激发状态，而它本身则被吸收。这个过程称为光电吸收或光电效应。

                               荧光X射线

伴随光电吸收会产生荧光X射线和俄歇电子。因为光电吸收后，原子处于激发态，内层出现空位。这时，外层电子就要往内层的空位跳，多余的能量会以特征X射线的形式释放出来。这种由X射线激发出来的X射线，称为荧光X射线。¾由X射线激发出来的二次X射线。

                           俄歇电子

当外层电子往内层空位跃迁时，其多余的能量不是以X射线的形式释放出来，而是传给原子的外层电子使之脱离原子，变成自由电子。这个过程称为俄歇作用。由俄歇作用产生的自由电子称为俄歇电子。如K系的一个电子被激发，L2层的一个电子越回K层填补空位，多余的能量传给L3层的电子使之成为自由电子。这个自由电子就称为KL2L3俄歇电子。 

三、X-射线的衰减

1.衰减规律和线吸收系数

实验表明，当一束单色X射线透过一层均匀物质时，其强度将随穿透物质的深度的增加按指数规律减弱。

对X射线衰减的研究表明，由于散射引起的衰减和由于激发电子及热振动等引起的真吸收遵循着不同的规律，即真吸收部分随X射线波长和物质元素的原子序数而显著地变化，散射部分则几乎和波长及元素的原子序数无关。

2.质量吸收系数

四、吸收限的应用

1、X射线滤波片的选择

在X射线衍射分析中常常要采用单色X光，因Kα的强度较高，故一般是选择Kα作光源。但在X射线管发出的X射线中有Kα时，必定伴有Kβ和连续X射线。这对衍射分析是不利的。必须设法把Kβ和连续X射线除去或将其减弱到最小程度。通常是用滤波片来实现这一目的。 

滤波原理

2、根据样品化学成分选择靶材（阳极靶的选择）

• 在X射线晶体衍射晶体结构分析工作中，不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图像不清晰。

• 避免出现大量荧光辐射的原则就是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品的吸收限。

• 根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶 £Z样+ 1 或 Z靶 ³Z样