X射线产生的机制

X 射线产生的机制摘要:X 射线产生于高速运动的电子轰击靶原子。它的波长和强度的关系反映 X 射线具有连 续谱和特征谱，连续谱来源于带电粒子轰击靶原子时速度的连续变化；而特征谱来源于电子 内壳层的跃迁。电子内层跃迁时，产生了一系列的K、L、M线系，在K （L、M.）线 系中，又以初态的不同而再分为K«、K卩，（Ld、L卩，M、M卩，）。这些X 射线的标识谱可由原子内层能级给以解释。关键词X 射线、连续谱、特征谱、产生机制0 引言X 射线是一种波长较短的电磁波，是伦琴在1895 年发现的。它的发现，不仅开始了物 理学的新时期，而且使人类的生活受到了巨大影响。由于X射线具有极强的穿透性，医疗 上用于透视和照相。另外，X射线具有光的一切特性，如反射、折射、干涉、衍射等性质， 还具有独特的光谱结构。X射线的这些特性，决定了它在光学、化学、生物学等一系列重大 研究中有着广泛应用。既然X射线的地位如此重要，那么X射线是如何产生的？本文就X 射线产生的机制问题进行探讨。1 X 射线的产生背景1895年11月8日，伦琴在暗室里做阴极射线管中气体放电的实验，为了避免紫外线与 可见光的影响，特用黑色纸板把阴极射线管包了起来。但伦琴意外发现，在一段距离之外的 荧光屏上竟会发生微弱的荧光。经反复实验，他肯定激发这种荧光的东西来自阴极射线管， 但决不是阴极射线本身。他推断，当阴极射线撞击阳极或管壁时，会形成一种人眼看不见的 射线，而且这种射线具有极强的穿透力，能透过一般光线透不过的物质。伦琴认识到这种“射 线”是人们还未曾认识的一种新的射线。因此，他把这种神秘的射线命名为X射线。伦琴的发现，很快引起全世界物理学家的关注，在该射线发现的三个月后，维也纳的医 院在外科治疗中首次应用 X 射线来拍片。 X 射线的发现，对于现代物理研究及医疗上的应 用都具有重要作用。鉴于伦琴的杰出贡献他于1901年荣获第一个诺贝尔物理奖。2 X 射线的产生及测量下图是一种常用的产生X射线的X射线管示意图：加热阴极K,产生电子，在外加电场作用下高速飞向阳极A,电子打在阳极上产生X射线。 阳极（靶子）可用钨、钼等重金属制成，也可用铬、铁等轻金属制成，这完全由 X 射线管 的具体用途而定。在阴极和阳极之间加上高电压，一般是几万伏到十几万伏，甚至更高，它 使飞向阳极运动的电子加速。调节此电压，可以改变轰击阳极的电子的能量。利用图1-1产生的X射线，经过X射线测谱计，可实现对其的测量。装置如下：工作原理：电离室和晶体 C 分别装在有刻度盘的支架上，它们可以绕着通过晶体的一个轴 转动。电离室充以气体，X射线射入，气体被电离，电离电流的大小代表射线的强弱。把晶 体转一小角A6，电离室转2 A9，这样继续做下去，达到某一角度时，电离电流突然增强， 这时进入电离室的射线特别强，满足2dsin0 =n九，在该式中，d、0、n均为已知量，九即 可求出，与此时九对应的电流表的读数即是射线的强度。用同样的方法，可得到多组九和 强度一一对应的数据，对这些数据进行处理，即可得出波长和强度的关系图：3 X射线的发射谱图 1-3 的关系图反映了 X 射线谱。 X 射线谱有两部分构成：一是波长连续变化的部分， 称为连续谱；另一部分具有分立谱线，该谱线重叠在连续谱之上，由于分立谱与靶的金属性 质有关，故称之为特征谱。对于连续谱的由来，按照经典电动力学，带电粒子在加速(减速)时必伴随辐射。而带 电粒子与原子相碰撞，发生骤然减速，带电粒子的速度将连续变化。因此，辐射的 X 射线具 有连续谱的性质。实验测得连续谱的面积随靶核原子序数的增大而增大，但连续谱的形状却与靶材料无 关，它存在一最小波长九min=12.4/v(kv)埃，该式是杜安和亨特首先从实验中得到的。但该 式不能用经典物理很好地解释。经典电磁学认为，任何短的波长均可发射。然而，量子理论 能很好地解释这一现象：一个电子在电场中得到的动能E=lev,当它达到靶子时，它全部能 量 就 转 成 辐 射 能 ， 由 此 发 射 的 光 子 可 能 有 的 最 大 能 量 ： E=lev二hu max二he/九min,=九min=12.4/v(kv)埃。由此可以看出连续谱的最小波长只取决 于外加电压。特征X射线谱是由巴克拉在1906年首先发现的。他观察到，从任何给定元素中发出的 特征谱包含有若干个系列，按贯穿能力递减的次序可以标以K、L，等字母。后来又发现， 在K系列中又含有K、K，L系列中含有L、L。1913年，莫塞莱通过大量的实验 apap推理，得到各元素的X射线的频率的平方与原子序数Z成线性关系。对于K线，莫塞莱得 a到如下经验公式：u =0.248*1016(Z-1)2 之后，他又从玻耳理论导出：kau ” =C =RCZ 2 (1-1/4)0.246*1016 Z 2与式十分接近，但两者有(Z-1) 2与KaZ2之差异。这是因为，当n=1层出现一个空穴时，考虑到电子屏蔽效应，在n=2层中的电 子感受到的是(Z-1 )个正电荷的吸引。因此，当n=2层中的电子向内层跃迁时，发出的辐射频率应是：J =0.246*1016 （Z-l） 2这样，对K线的产生就有了清晰的认识，它是n=2 %a层中的电子向 n=1 层中的空穴跃迁的结果。既然元素的标识谱只与元素的原子序数有关，他就可以作为元素的“指纹”，依此可以 作为分析元素的工具。不过，要产生X射线标识谱，必须先产生空穴，这是由泡利原理所决 定的产生标识谱的先决条件。4 X射线与原子内层能级X 射线标识谱来源于原子内层电子的跃迁，但内层电子是填满的。根据泡利原理，不可 能再加电子，要有跃迁必须先有电子空位；要电子跃迁到 n=1 那一层，必须先使某一内层产 生一个空位。产生K线系的条件是最内层（n=1）有空位，产生L线系的条件是第二层（n=2） 有空位。产生电子空位可以由高速电子对原子的非弹性碰撞实现。由以上分析可知，要产生X射线标识谱，就要把原子内层电子电离出去，使原子处在高 电离态。把各原子电离出去所需的能量是不同的。最内层电子在原子中的能量最低，第二层 高一些，第三层的更高一些，以此类推。所以要使最内层电子电离，需要供给原子的能量最 大，其次是第二层，再次是第三层。因此最内层一个电子电离后的电离态的能级同中性原子 的基态比较是最高的，其次是第二层一个电子电离的状态的能级，以此类推。图1-4是镉原 子的 X 射线能级图：镉在基态时，最外层是两个5S电子，原子态是iS°。0能级是一个5S电子电离后的原子能级，其余较深的满壳层中一个电子被电离就形成更高的能级。上图的右边注明了各壳层剩下 的各类电子数和形成的原子态。满壳层的轨道角动量、自旋角动量以及总角动量都等于零。 缺少一个电子的那个壳层（这里考虑的是各个次壳层）的上述三种角动量必定分别等于一个 电子的这三种角动量，只是方向相反；这样和一个电子组合在一起才能使这三种角动量等于 零。由此可知，满壳层缺少一个电子形成的原子态就同具有一个电子的原子态相同 。对应于标识谱各线系谱线的跃迁已在图中画出。例如 K 线是从 K 能级跃迁到 L 能级OC111所产生的，这是说原子从K层有一空位的状态变成L层有一空位的状态，实质上就是电子111从L 跃迁到K层。产生X射线标识谱的跃迁遵守选择定则：A L= + 1， A J=0， 土 1。111综上所述， X 射线标识谱是由于原子内层电子跃迁所产生的。参考文献：（1）原子物理学杨福家著（2）原子物理学邹庆东著（3）原子物理学褚圣麟著（4）论文 紫外超短脉冲激光辐射固体靶产生硬X射线研究 陶业争等