[x射线产生原理]X射线是如何产生的

[x射线产生原理]X射线是如何产生的

    “X射线”又称伦琴射线，它是一种波长很短的电磁辐射.波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线.当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，放出的X射线分为两类：如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射，这种辐射叫做轫致辐射;另外一种不连续的、只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，又叫标识辐射.连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因.X射线是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的.下面探讨一下X射线产生的机理.
　　
　　1、轫致辐射
　　
　　X射线通常是由高速电子在真空中撞击靶而获得的.高速电子到了靶上，受靶中原子核的库仑场的作用而速度骤减，由此伴随产生的辐射叫轫致辐射，又称为刹车辐射.所得X射线谱为连续X射线谱，此连续谱在短波端有一极限，因为X光子的能量最大只能等于入射电子能量.现在已建成许多高能电子加速器，因此由轫致辐射所得X射线波长可以很短.
　　
　　例1.(2000年全国卷)图1为X射线管的结构示意图，E为灯丝电源.要使射线管发出X射线，须在K、A两电极间加上几万伏的直流高压
　　

　　(A)高压电源正极应接在P点，X射线从K极发出.
　　
　　(B)高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出.
　　
　　(C)高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出.
　　
　　(D)高压电源正极应接在Q点，X射线从A极发出.
　　
　　解析：灯丝电源对灯丝加热，灯丝放出电子，电子速度很小，要使电子到达对阴极A并高速撞击A，使原子内层电子受到激发才能发出X射线，因此K、A之间应有电子加速的电场，故Q应接高压电源正极.故正确选项为(D).
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　　例2.(2001年全国卷)在X射线管中，由阴极发射的电子被加速后打到阳极，会产生包括X光在内各种能量的光子，其中光子能量的最大值等于电子的动能.已知阳极与阴极之间的电势差U，普朗克常数h，电子电荷量e和光速c，则可知该X射线管发出的X光的
　　
　　(A)最短波长为c/eUh.(B)最长波长为hc/eU.
　　
　　(C)最小频率为eU/h.(D)最大频率为eU/h.
　　
　　解析：光子能量最大值等于电子动能E=hνmax=eU，得vmax=eU/h，λmin=c/νmax=hc/eU.故正确选项为(D).
　　
　　2、电子俘获
　　
　　β衰变包括3种方式：β-衰变、β+衰变和电子俘获(EC).其中电子俘获(EC)这种衰变可以表示为即母核俘获1个核外轨道电子使核内1个质子转变为中子，并放出1个中微子，所以子核的电荷数变为Z-1，而质量数保持不变.在一般情况下，K层上的电子被原子核俘获的居多，因为K层最靠近原子核，被俘获的概率最大，但是L层上的电子被俘获的概率也是存在的.原子核在俘获了电子之后，子核原子的K层或L层上将出现一个电子空位，当某一外层电子来填补这个空位时，可能会出现下面两种情况之一：要么以标识X射线的形式将多余的能量释放，要么将多余的能量交给另一层上的其他电子，此电子获得能量而脱离原子，成为俄歇电子.伴有X射线或俄歇电子的发射是K俘获过程的标志.
　　
　　例3.(2005年高考科研题)有些元素的原子核有可能从很靠近它的核外电子中“俘获”一个电子形成一个新原子(例如从离原子核最近的K层电子中俘获电子，叫“K俘获”)，当发生这一过程时
　　
　　(A)新原子是原来原子的同位素.
　　
　　(B)新原子核比原来的原子核少一个质子.
　　
　　(C)新原子核将带负电.
　　
　　(D)新原子有可能发出X射线.
　　
　　解析：K俘获是原子核俘获一个K层电子使核内一个质子转变为中子，并放出1个中微子的过程.所以新原子核比原来的原子核少1个质子.K层出现1个电子空位，当外层电子来填补这个空位时可能以X射线的形式将多余能量放出.故正确选项为(B)、(D).
　　
　　例4.“轨道电子俘获”也是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获1个核外电子，其内部1个质子变为中子，从而变成1个新核(称为子核)，并且放出1个中微子的过程.中微子的质量很小，不带电，很难探测到，人们最早就是通过子核的反冲而间接证明中微子的存在的.下面关于1个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子的说法中正确的是
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　　(A)母核的质量数等于子核的质量数.
　　
　　(B)母核的电荷数大于子核的电荷数.
　　
　　(C)子核的动量等于中微子的动量.
　　
　　(D)子核的动能大于中微子的动能.
　　
　　解析：本题以“轨道电子俘获”为背景进行命题，该过程的核反应方程式为，因此根据核反应中质量数和电荷数守恒可知母核的质量数等于子核的质量数，母核的电荷数大于子核的电荷数.在俘获过程中系统动量守恒，子核必然反冲，其动量大小等于中微子动量大小，而方向相反.根据Ek=p2/2m和题中中微子的质量很小的信息可以知道(D)错误.故正确选项为(A)、(B).
　　
　　例5.(2003年江苏卷)原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子，例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为En=-An2，式中n=1，2，3……表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是
　　
　　(A)3/16A.(B)7/16A.
　　
　　(C)11/16A.(D)13/16A.
　　
　　解析：根据铬原子的能级公式可知：n=1时，E1=-A;n=2时，E2=-A/4;n=4时，E4=-A/16.铬原子从n=2能级跃迁到n=1能级时放出能量为ΔE=E2-E1=34/A.所以俄歇电子动能为E=E4+ΔE=11/16A.故正确选项为(C).
　　
　　3、内转换
　　
　　原子核可以通过某种方式(譬如β衰变)达到激发态，处于激发态的原子核可以通过发射γ射线跃迁到低激发态或基态，这种现象称为γ衰变或称γ跃迁.核能级跃迁所发出的光子与原子能级跃迁所发出的光子没本质的差别，不同的是原子能级跃迁发射的光子能量只有eV~keV数量级，而核能级跃迁发射的光子能量却有MeV数量级.在不考虑核的反冲时，光子能量Eg可以表示为下面的形式Eg=Es-Ex.有时原子核从激发态到较低能态的跃迁并不放出光子，而是把能量直接交给核外电子，使电子脱离原子，这种现象称为内转换(IC)，脱离原子的电子称为内转换电子.处于激发态的原子核可以通过放射γ光子回到基态，也可以通过产生内转换电子回到基态，究竟发生的是哪种过程，完全决定于核的能级特性.内转换电子的动能与壳层电子的电离能之和应是原子核的两能级间的能量差.也就是等于在两原子核能级间跃迁所辐射出的γ光子的能量.对于内转换的研究是获得有关核能级知识的重要手段.当然通过内转换方式还可以产生原子的特征X射线.
　　
　　例6.(2004年江苏卷)若原子的某内层电子被电离形成空位，其他层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原子特征X射线.内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被电离的电子称为内转换电子).214Po的原子核从某一激发态回到基态时，可将E0=1.416MeV的能量交给内层电子(如K、L、M层电子，K、L、M标志原子中最靠近核的三个电子层)使其电离，实验测得从214Po原子的K、L、M层电离出的电子的动能分别为EK=1.323MeV，EL=1.399MeV，EM=1.412MeV.则可能发射的特征X射线的能量为：
　　
　　(A)0.013MeV.(B)0.017MeV.
　　
　　(C)0.076MeV.(D)0.093MeV.
　　
　　解析：该题所述的通过“内转换”的方式辐射出原子特征X射线是一全新的物理情景，需考生在弄懂题意的基础上，正确地建立物理模型，将所学的能量守恒定律和玻尔原子结构理论迁移过来.由题设可知，214Po的原子核从某一激发态回到基态时，将E0=1.416MeV的能量交给某一内层电子使其电离，实验测得从214Po原子的K、L、M层电离出的电子的动能分别为EK=1.323MeV，EL=1.399MeV，EM=1.412MeV，则由能量守恒定律得214Po原子的K、L、M层电子所具有的能量分别为EK′=-0.093MeV，EL′=-0.017MeV，EM′=-0.004MeV，当K层电子被电离产生空位时，L、M层的电子都有可能跃迁到该空位上，而多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，可能发射的原子特征X射线的能量为0.013MeV和0.076MeV;当L层的电子被电离产生的空位时，M层的电子有可能跃迁到该空位上，而多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，可能发射的原子特征X射线的能量为0.013MeV.故(A)、(C)选项都正确.

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