X射线与物质的相互作用

X射线与物质的相互作用过程相对复杂，一般来说可分为三类。 散射效应；光电效应；热效应；

散射效应

指X射线光子由于和原子碰撞而改变了前进的方向，形成散射线；物质对X射线的散射可分为两类：相干散射和非相干散射；

相干散射：当X射线与原子内的紧束缚电子相互作用时，X射线光子能量hv与电子的能量 相比小得多，可认为电子在X射线的电磁场作用下，在初始的位置上发生受迫振动，振动着的电子 以本身为散射中心向周围辐射与入射X射线波长相同的次级X射线，这个过程也可简单的理解为X射线光子与原子中紧密束缚电子发生弹性碰撞，X射线只改变方向，不改变能量和波长。相干散射是X射线分析的基础；

由于散射的X射线具有相同的波长，如果散射物质内的原子或分子排列具有周期性（晶体物质），则会发生相互加强的干涉现象， 这种散射即为相干散射，相干散射又称为弹性散射。

因为汤姆逊首先用经典电动力学方法研究相干散射现象，也称为汤姆逊散射,汤姆逊研究结果表明，当一束强度为的偏振光照射到一个电子上时，散射光强的强度为：

其中为电子电荷;为电子质量;c为光速;R为散射线上观测点与电子的距离;为散射方向与入射线电场方向的夹角;

非相干散射：当X射线光子与自由电子或束缚很弱的电子作用时，尤其是时，便会产生非相干散射。由于这种散射现象是康普顿和中国物理学家吴有训产生发现的，也称为康普顿效应或康普顿-吴有训效应，由于这种现象是X射线粒子性的突出表现，必须用量子理论来说明，因此又称为量子散射。

当X射线与自由电子或束缚很弱的电子作用时，正如弹性散射的碰撞，电子被碰撞而改变方向，成为反冲电子，同时在角度方向上产生一个新X射线光子，如图1所示

非相干散射X射线的波长随散射角不同而不同，因此非相干散射X射线不会互相干涉形成衍射，所以它们散布于各个方向，强度一般很低，它们在衍射工作中只形成连续的背景。

X射线与物质的相互作用过程相对复杂，一般来说可分为三类。 散射效应；光电效应；热效应；

光电效应

指X射线光子把能量传递给物质中的原子，使原子内层电子被激发成光电子，并产生一个电子-空穴，原子处于激发态而发出荧光X射线和俄歇电子；

当X射线的波长足够短时，对应能量大，以至于能把原子中处于某一能级上的电子打出来，而它本身则被吸收，它的能量就传递给了该电子，使之成为具有一定能量的光电子，并使原子处于高能的激发态。这种过程称为光电效应或光电吸收。

伴随光电效应而发生的有荧光X射线和俄歇电子 ，因为光电吸收后，原子处于高能激发态，内层出现电子空位，这时外层电子将向内层跃迁，就会产生特征X射线，这种由X射线激发出的X射线称为荧光X射线。

另当外层电子向内层跃迁时，其能量也可能不以X射线的形式释放出，而是传递给其他外层的电子，使之脱离原子。如K层电子被激发，L2层电子跃迁入K层电子空位，而将它的多余能量传递给L3层电子，使之被激发出来，这样的电子就称为俄歇电子，俄歇电子的能量与参与该过程的3个能级能量有关，分析俄歇电子的能量可获得试样成分及表面形貌等很多信息。

热效应

主要指X射线光子的能量在与原子碰撞过程中传递给原子，成为热振动能量。这种热效应在‌高剂量X射线照射‌或‌特定材料‌中尤为显著，对医疗设备、工业检测及辐射防护等领域具有重要影响

X射线与物质相互作用的热效应是能量吸收的最终表现形式，其强度由光子能量、材料性质及照射条件共同决定。在高剂量应用中（如放射治疗、工业CT），需通过热力学建模与实时监控平衡检测/治疗效果与材料热损伤风险。

参考文献

[1]王晓春,张希艳.材料现代分析与测试技术 第二版[M].北京：国防工业出版社.2022.09

[2] 材料现代分析与测试技术.长春理工大学公开课