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?，…（L?、L?，…M?﹑M?，…）。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??，电离室转2??，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2dsin?=n?,在该式中，d、?、n均为已知量，?即可求出，与此时?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?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?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=1ev,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=1ev=h?max=hc/?min,??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，莫塞莱得到如下经验公式：

?k?=0.248*1016（Z-1）2?① 之后，他又从玻耳理论导出：

?K?=C/?=RCZ2(1-1/4)?0.246*1016Z2?② ②与①式十分接近，但两者有（Z-1）2与

Z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

2射频率应是：?k?=0.246*10（Z-1）这样，对K?线的产生就有了清晰的认识，它是n=2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。

1624 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S0。O1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。

1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?1线是从K能级跃迁到L111能级所产生的，这是说原子从K层有一空位的状态变成L111层有一空位的状态，实质上就是电子从L111跃迁到K层。产生X射线标识谱的跃迁遵守选择定则：?L=?1，?J=0，?1。 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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t31h.html