X射线与物质的相互作用及吸收

Answer 1

(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\( EKab > ELab > EMab > …… \)。