问题

图1

解答

在本文中，我们主要讨论散射。

物质对X射线的散射主要是物质中原子的核外电子与X射线相互作用的结果，原子的核外电子分为两类：1.原子核外束缚较紧的内层电子；2.原子核外束缚较松的外层电子。因此入射X射线与这两种X射线发生相互作用会出现两种散射效应：相干散射（又称弹性散射或汤姆逊散射）和非相干散射。

相干散射

X射线光子与原子核外束缚较紧的内层电子相撞时，光子把全部的能量转给电子，电子受到入射X射线电磁波的影响后将绕其平衡位置发生受迫振动，不断被加速或减速，且振动频率与X射线频率相同。

根据经典电磁理论，一个加速的带电粒子可作为一个新的波源向四周各方向辐射电磁波（可以看作球面波），即X射线散射里的散射波，这些散射波与入射波具有相同的振动方向、相同的振动频率以及恒定的相位差，即散射波与入射波满足光的干涉条件，这就是X射线被内层电子散射称为相干散射的原因。

这里需要注意的是，入射X射线是一个平面波，而出射的散射波却是一个球面波，它不是一个直接偏转的过程，而是一个先被吸收再被辐射的过程。同时，发生相干散射时，散射波与入射波的波长相同，即振动频率相同，即散射前后不改变X射线波长。

其变化的数学表示如下：

散射前

散射后

非相干散射

X射线光子与外层电子（价电子）或金属晶体中的自由电子碰撞时，可利用一个光子与一个电子的弹性碰撞机制来描述：当一个具有动能的物体A去与另外一个静止的物体B发生弹性碰撞，满足能量守恒、动量守恒，碰撞后A、B的总动能不变，但A会有一部分动能转移到B上，使B具有一定的动能。所以当入射X射线光子与外层电子发生弹性碰撞时，入射X射线光子将会转移一部分能量到外层电子上，使其偏离原运行轨道并带有一部分动能形成反冲电子，而原来的X射线因为碰撞损失了一部分能量，使得波长增加、方向偏离。

由于散布于空间各个方向的量子散射波与入射波波长不同，位相也不存在确定的关系，因此不能产生干涉效应，因此这种散射被称为非相干散射。