X射线与物质相互作用主要表现为吸收和散射两种现象。当X射线照射固体物质时,部分X射线被吸收,同时在固体表面发生散射,导致X射线强度衰减。X射线的衰减主要是由吸收效应引起的,吸收的X射线能量转化为光电子、二次X射线和热量等(图10.2)。
图10.2 X射线与物质的相互作用
10.1.2.1 X射线的吸收
当X射线强度和样品厚度固定时,样品对X射线的吸收主要取决于吸收系数。入射X射线的波长等于特定值时,吸收系数会发生突变。这一特定波长称为吸收限。为了从特定元素原子的能级上逐出电子,所需的原级X射线波长应大于该能级电子被逐出所需的最小能量,即波长小于吸收限。原级X射线(连续X射线,能量范围广)照射样品时,大部分被元素吸收并产生相应荧光X射线,只有极小部分被表面散射。
X射线穿过均匀密度的物质层时,其强度会减弱,减弱原因包括散射和光电效应。强度衰减公式为I=I0e^(-μt),其中I为透射线强度,I0为入射线强度,μ为线衰减系数,t为穿透厚度。这一公式说明X射线强度衰减遵循指数衰减规律,是X射线荧光定量分析的基础。
10.1.2.2 X射线的散射与衍射
X射线散射可分为非相干散射和相干散射。非相干散射发生在X射线光子与固体原子中束缚较松弛的电子发生非弹性碰撞时,光子能量降低且方向改变,散射X射线波长变长,形成连续背景,对测量不利。相干散射是X射线光子与固体原子中束缚较紧的电子发生弹性碰撞,散射X射线与入射X射线方向不同,强度相同,无能量损失。相干散射是衍射的基础,且仅发生在晶体表面。
晶体具有周期性的三维点阵结构,点阵周期与入射射线相当,因此晶体可作为衍射X射线的光栅。根据布拉格衍射方程nλ=2dsinθ,衍射发生当光程差为波长的整数倍。该方程应用于:1)用已知波长的X射线照射晶体,测定衍射角θ,鉴别晶体结构种类;2)已知晶面间距d的晶体,测定样品荧光X射线衍射角θ,求出X射线波长,判断元素种类,从而确定样品成分。通过改变晶体衍射角,可分离不同元素的荧光X射线,分别测定各元素荧光强度。
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