X射線是一種電磁波,其波長(zhǎng)大體為0.01nm~10nm。由于它在傳播過程中具有穿透性,常把波長(zhǎng)大于0.3nm的部分稱為軟X射線,而把波長(zhǎng)小于0.3nm的部分稱為硬X射線。X射線具有明顯的粒子性,它的傳播可認(rèn)為是具有一定能量和動(dòng)量的粒子—光子運(yùn)動(dòng)。X射線的波動(dòng)性質(zhì)使它在投射到物質(zhì)上以后,產(chǎn)生散射、干涉和衍射,從而為我們提供豐富的物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。同時(shí),它的粒子性又在光電效應(yīng)、Compton效應(yīng)等方面有重要作用。
當(dāng)一個(gè)具有足夠能量的粒子轟擊原子時(shí),會(huì)擊出內(nèi)層電子,使原子成為具有內(nèi)層空穴子。離子的內(nèi)層空穴不穩(wěn)定,其外層電子將迅速躍遷到內(nèi)層空穴,并釋放一定輻射的電磁波,X射線。Ⅹ射線的輻射能量等于兩殼層間的能級(jí)差。由于內(nèi)殼層之間的能級(jí)差大于外殼層與反態(tài)之間的能級(jí)差,所以,內(nèi)殼層之間躍遷產(chǎn)生的輻射線波長(zhǎng)落在X射線區(qū)域內(nèi)。
一、初級(jí)X射線(一次Ⅹ射線)的產(chǎn)生
初級(jí)Ⅹ射線可用X射線管(X-ray tube)或稱X光管產(chǎn)生,它是由熱陰極(鎢絲)和金屬靶材料(Cu、Fe、Cr、Mo、Rh、W等重金屬)制成的陽極組成,管內(nèi)抽真空(約10-4Pa)。工作時(shí),加熱陰極產(chǎn)生熱電子,并被兩極間所加的幾萬伏的高電壓加速,撞擊陽極靶,高能的電子受靶材料原子核庫侖力的作用而突然減速,使電子周圍的電磁場(chǎng)發(fā)生了急劇變化,高能電子的大部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?需通冷凝水或油冷卻金屬靶),只有不到1%的電功率轉(zhuǎn)變成X射線輻射能,產(chǎn)生了具有一定波長(zhǎng)的電磁波從透射窗射出。這樣產(chǎn)生的輻射線稱為次Ⅹ射線,也稱初級(jí)X射線或原級(jí)X射線。
二、連續(xù)X射線
當(dāng)加在X射線管兩極間的加速電壓較低時(shí),僅產(chǎn)生連續(xù)X光譜。撞擊到陽極上的各個(gè)電子,由于飛行軌跡以及與其他粒子碰撞概率不同,其所受到的減速情況也不盡相同,因此,釋放出具有各種不同能量的電磁波,組成了連續(xù)Ⅹ射線譜。這種高能帶電粒子急劇減速時(shí)所發(fā)出的連續(xù)電磁輻射稱為韌致輻射(bremsstrahlung radiation)。
1)短波限X射線連續(xù)譜的一個(gè)特征是有確定的短波限(shot wavelength limit)x-m,它只與電子的加速電壓U有關(guān),與靶材料和X射線管電流無關(guān),有Am=1.24/U(電壓?jiǎn)挝粸閗V時(shí),波長(zhǎng)單位為mm)。不同的靶材料只要加速電壓相同,短波限都相同;加速電壓越大,短限越短。
2)連續(xù)光譜的強(qiáng)度,連續(xù)光譜的總強(qiáng)度與靶材元素的原子序數(shù)和X光管電流、X光管電壓的平方成正比。其中以ⅹ光管電壓的影響最大。
連續(xù)光譜的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化,其最大強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為短波限的1.5倍。連續(xù)光譜的強(qiáng)度空間分布存在偏振,即各向異性特點(diǎn),與管電壓、波長(zhǎng)變化有關(guān),與靶材的原子序數(shù)無關(guān)。
三、特征(標(biāo)識(shí))X射線
當(dāng)加于X射線管的高電壓增加到一定的臨界數(shù)值,使高速運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)能足以激發(fā)靶原子的內(nèi)層電子時(shí),便產(chǎn)生幾條具有一定波長(zhǎng)的、強(qiáng)度很大的譜線,疊加在連續(xù)X射線上,如圖192所示。當(dāng)加速電壓達(dá)到25kV時(shí),產(chǎn)生了兩條鉬的特征譜線(K。為0.07107mm,Kp為0.06323mm)。這些譜線的波長(zhǎng)與入射電子的能量無關(guān)(但要達(dá)到臨界值),而取決于靶材料,與靶材元素的原子結(jié)構(gòu)及原子內(nèi)層電子的躍遷過程有關(guān),反映了靶材料的特征,故稱為特征X射線(characteristic X-ray)。理論上,特征X射線是單色X射線。