x射线与物质相互作用(x射线与物质的相互作用)
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x射线与物质相互作用
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X射线与物质相互作用主要包括光电效应、康普顿效应、电子对效应、相干散射和非相干散射
1. 光电效应：光子将能量全部交给原子的一个轨道电子（内层电子），光子本身消失，电子摆脱束缚成为高能自由电子。此过程为光电效应。应用：光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。
2. 康普顿效应：光子将部分能量交给原子中束缚较松弛的电子（外层电子），光子本身能量减少而成θ角度改变运动方向，称康普顿散射光子；电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿电子或称反冲电子。
3. 电子对效应：光子有足够的能量避开与电子云的相互作用，接近到原子核，在核力场与光子的相互作用下使光子消失，而转化为一对正、负电子，这就是电子对效应。
4. 相干散射：在入射线的交变电场的作用下，物质中的电子作受迫振动，成为具有交变电矩的电偶极子，其振动频率与入射X射线的频率相同。电偶极子向四周发射与其振动频率相同的电磁波，即发射与入射线频率相同的电磁波。由于这种散射X射线的波长、频率均与入射线相同，各散射线间可以有固定的位相差，在相同的传播方向上可以发生干涉现象，故称为相干散射。
5. 非相干散射：X射线被物质散射时，产生两种散射现象：相干散射和非相干散射。非相干散射又称非弹性散射、量子散射，又称为康普顿散射。这种改变波长的散射称为康普顿效应。
X射线与物质的相互作用还包括吸收和透射等过程。这些作用过程不仅决定了X射线在物质中的传播特性，也是X射线应用于医学成像、材料分析等领域的重要物理基础。
X射线与物质的相互作用及吸收
(一) X射线与物质相互作用的特性X射线，作为一种低能电磁辐射，与物质相互作用的形式与γ射线类似，但由于能量较低，与γ射线存在差异。X射线与物质相互作用主要包括光电效应、相干散射和非相干散射，不会产生电子对效应。
1. 光电效应
X射线的光电效应是指X射线将全部能量转移给原子，从而消失。在原子核的参与下，能量被分配，一部分用于克服轨道电子的结合能，其余部分作为电子的动能，放出光电子。这一过程在低能电磁辐射与物质作用中占据重要地位。
2. 散射效应
X射线的散射效应是指X射线与核外电子轨道作用时，并没有将全部能量转移给电子。散射效应分为两种情况：(a) 非相干散射，也称为康普顿散射，是X射线与核外电子的非弹性散射，X射线将部分能量转移给电子，使轨道电子获得足够能量克服结合能而逃逸，X射线损失部分能量并改变方向。(b) 相干散射，包括汤姆逊散射和瑞利散射，是X射线与电子的弹性散射，当光子能量较低且靶物质原子序数较大时，这种散射占比较大，表现为X射线作为一种电磁辐射，在与核外电子作用时，迫使轨道电子按其频率振动，然后发射与原入射电磁辐射频率相同的电磁辐射。
(二) X射线的吸收与跃变
X射线与物质作用会产生光电效应和散射效应，导致X射线强度随介质层厚度的增加而减弱。对于单能量的X射线，通过均匀层时强度按指数规律衰减：
\[ I = I_0 e^{-\mu d} \]
其中，\( I \) 为通过厚度 \( d \) 的物质层后剩余的X射线强度，\( I_0 \) 为起始X射线强度，\( \mu \) 为吸收系数，表示X射线通过1cm厚度物质被吸收的几率，\( d \) 为吸收物质层的厚度。当X射线强度衰减为入射X射线强度的一半时的物质厚度称为半吸收厚度，即：
\[ d_{1/2} = \frac{1}{\mu} \ln 2 \]
质量吸收系数 \( \mu/ρ \) 可以用以下表达式表示：
\[ \mu/ρ = \frac{L}{A \rho} \]
其中，\( A \) 为相对原子质量，\( L \) 为阿伏伽德罗常数。总吸收系数是光电吸收系数、相干散射和非相干散射系数之和。对于多元素组成的混合物、化合物和混合溶液的总有效质量吸收系数，可以使用以下方法计算：
\[ \mu/ρ_{总} = \frac{\sum (CA_i \cdot (μ/ρ)_i)}{\sum (C_i)} \]
如果是单一成分的矿石，只有一个质量浓度 \( CA \) 的待分析元素 \( A \)，总质量吸收系数可以表示为一个特殊形式。
对于多能量X射线，可以求取一个有效能量进行计算。每个元素的质量吸收系数是X射线光子能量（或波长）的函数，其图形称为X射线吸收谱。吸收谱中，吸收限或临界能量（临界波长）处出现吸收截面的跃变，表示逐出原子某壳层电子所需的最小能量，即电子结合能。每个原子壳层都有一个K层吸收限（\( Kab \)），三个L层吸收限（\( LⅠab \)、\( LⅡab \)、\( LⅢab \)），五个M层吸收限（\( MⅠab \)、\( MⅡab \)、\( MⅢab \)、\( MⅣab \)、\( MⅤab \)）等。在这些吸收限跃变中，Kab跃变最为显著，即近核的K层临界吸收能量最大，依次向外是\( EKab > ELab > EMab > …… \)。
射线与物质的相互作用有哪些
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。
x射线与物质的相互作用
x射线与物质的相互作用：X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。X射线与物质相互作用过程会产生物理、化学和生化过程，引起各种效应。例如：光电效应、康普顿效应、电子对效应、瑞利效应。
X射线可使一些物质发出可见的荧光，使离子固体发出黄褐色或紫色的光，破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成引起生物效应，导致新陈代谢发生变化。X射线与物质之间的物理作用可分为X射线散射和吸收。
知识拓展：
光电效应：
是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
康普顿效应：
是指当X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用，因失去能量而导致波长变长的现象。相应的还存在逆康普顿效应——光子获得能量引起波长变短。这一波长变化的幅度被称为康普顿偏移。
康普顿效应通常指物质电子云与光子的相互作用，但还有物质原子核与光子的相互作用——核康普顿效应存在。
瑞利效应：
是一种光学现象，属于散射的一种情况。又称“分子散射”。粒子尺度远小于入射光波长时（小于波长的十分之一），其各方向上的散射光强度是不一样的，该强度与入射光的波长四次方成反比，这种现象称为瑞利效应。
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