扫描电镜原理及运用（2）特征X射线

2.5特征X射线（Characteristic X-Rays）

入射电子与原子相互作用时，散射过程中的能量损失主要转化为热量，同时也伴随着X射线、二次电子、俄歇电子等多种形式的释放，其中X射线的能量占比通常很小，按照X射线产生机制可分为连续X射线（continuous X-ray ） 与特征X射线（Characteristic X-Rays）。

入射电子受原子核库仑力作用会减速制动，部分动能转化为电磁辐射释放出去。这种动能损失的能量是连续能量（非量子化），相应的所产生的X射线能量也是连续的，这种X射线称为连续X射线，该过程即所谓的韧致辐射或制动辐射（bremsstrahlung or braking radiation），韧致辐射是能谱背底连续谱的主要来源。

入射电子与原子核外电子相互作用时，当入射电子能量大于内层电子的结合能（binding energy），通过非弹性碰撞，使原子发生电离，失掉一个内层或较内层电子变为离子(产生空穴core hole，比如K层、L层的空穴)，该过程称为芯电子激发。
PS:并不是说入射电子只会和内层电子相互作用，只要入射电子的动能大于某层电子的结合能，它就可以通过非弹性碰撞将那个电子电离，产生空穴。

原子激发过程整个原子体系处于不稳定的激发态，体系会自发地发生弛豫/退激发而变为稳定状态,弛豫过程可以分为辐射弛豫和非辐射弛豫。

弛豫过程中，原子为了回到稳态，外层高能级电子跃迁填补较内层低能级空穴，该过程会释放出能量。

如果电子跃迁复位过程中所放出的能量呈光量子形式（辐射），则会释放出具有特征能量的X射线，这种X射线称为特征X射线，该效应也称为荧光效应。
弛豫过程释放的能量也可能被原子再次吸收（非辐射），释放出一个外层电子，称为俄歇电子，该电子也具有原子特征能量（俄歇电子能谱）。俄歇效应与荧光效为互为竞争关系。
俄歇效应伴随着一些列复杂过程，比如Coster-Kronig过程，Super Coster-Kronig过程。

原子壳层结构
相关原子壳层结构通常用以下参数表示：
1主量子数 ：决定波函数径向分布
越低，电子能量越低，一般用K,L,M,N,O....表示，称能层

2角量子数 ：决定电子云形状，表示亚层类型     
也有文献将轨道形状称为轨道的瓣
亚层类型
s 型亚层 ( =0)：球形
p 型亚层 ( =1)：哑铃形
d 型亚层 ( =2)：花瓣形
f 型亚层 ( =3)：更复杂的形状
例如：主量子数 =2时候，即 能层，角量子数 为0和1，所以 能层有 和 型亚层

3磁量子数 个
粗略表示电子云在空间的延伸方向，可简单理解为轨道数
s 亚层 (l=0)：m_l = 0 → 只有 1 个轨道
p 亚层 (l=1)：m_l = -1, 0, +1 → 有 3 个轨道
d 亚层 (l=2)：m_l = -2, -1, 0, +1, +2 → 有 5 个轨道
f 亚层 (l=3)：m_l = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 → 有 7 个轨道

4自旋量子数
电子自旋只有两个方向，取值为±1/2
（总角动量 是角量子数和自旋量子数之和 ） 

轨道的精细表示
符号的构成：n l_ⱼ
这种表示法可以拆解为三个部分：
n：主量子数（电子层），如 1, 2, 3...
l：轨道角动量量子数（亚层），但用大写字母表示：
j：总角动量量子数。下标分数（如 1/2，3/2，5/2）

Fe原子结构精细表示：

电子跃迁规则（电偶极跃迁）
1. 能量守恒规则
吸收或发射的光子能量必须恰好等于电子跃迁前后两个能级之间的能量差

2. 角动量守恒规则
a. 主量子数 n 的选择定则
 可以为任意正整数 (±1, ±2, ...)。 ,即同一能级内部跃迁是禁止的。

b. 轨道角动量量子数   的选择定则 

这是极其重要的一条规则。它意味着电子跃迁时，其轨道角动量的变化必须正好是1个单位（光子的角动量是1）。
s轨道 ( =0) → p轨道 ( =1) ：允许 (  = +1)
p轨道 ( =1) → s轨道 ( =0) ：允许 (  = -1)
p轨道 ( =1) → d轨道 ( =2) ：允许 (   = +1)
s轨道 ( =0) → s轨道 ( =0) ：禁阻 (   = 0)
p轨道 ( =1) → p轨道 ( =1) ：禁阻 (   = 0)
d轨道 ( =2) → s轨道 ( =0) ：禁阻 (   = -2)

c.总角动量量子数 j 的改变：Δj = 0, ±1
注意：  = 0 → = 0 的跃迁是禁止的

3. 自旋守恒规则

在跃迁过程中，电子的自旋方向不能改变不同壳层之间可能产生的跃迁(不完整)以及X射线线系（X-Ray Families）

同一种元素产生的不同线系特征X射线，其出现概率并不一样Kα的概率远大于Kβ，Kβ通常只有Kα的10–20%

  入射电子的能量
    靶材料的平均原子量
     靶材料的密度
    靶材料的平均原子序数
入射电子在材料内部不断发生散射作用，形成似梨形（pear-shaped）的相互作用空间，产生背散射电子、X射线等信号。相比于电子，X射线穿透能力更强，它们可以从较深区域逃逸出来，其作用空间0.1∼5 μm，甚至更大。因此EDS空间分辨率并不高，特别是对于一些层状材料，特征X射线可能来自不止一层物质，甚至包含有一部分基底的成分信息。

X射线的吸收
在X射线逃逸出材料的过程中，X射线会与材料相互作用发生光电吸收，X射线的吸收是一种传播损失，导致X射线强度的衰减。常用吸收系数μ表示材料对X射线的吸收状态。
自吸收（self-absorption）：样品自身产生的X-ray又被自己吸收，自吸收可能导致二次荧光（secondary fluorescence）的产生。经典例子是Fe和Cr。FeKα=6.40keV,CrK-edge=5.99keV,Fe的Kα能够电离CrK层，Fe激发Cr的二次荧光，导致Cr峰虚高。
吸收边（Absorption Edge）：当X射线能量刚好达到某个壳层的结合能时，吸收系数突然跳变（因为该壳层电子开始参与光电吸收）。

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