Характеристическое рентгеновское излучение кратко

Обновлено: 06.07.2024

При торможении быстрых заряженных частиц атомами вещества анода возникает электромагнитное излучение, которое называют тормозным рентгеновским излучением.

При торможении большого количества электронов образуется сплошной (непрерывный) спектр рентгеновского излучения.

Рис. 44. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Короткое излучение возникает, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

Поток рентгеновского излучения (Ф):

Z – порядковый номер атома вещества анода;

k = – коэффициент пропорциональности;

I – сила тока в рентгеновской трубке;

U – напряжение в рентгеновской трубке.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, на фоне сплошного спектра появляется линейчатый спектр, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 45).

Характеристическое рентгеновское излучение возникает из-за того, что некоторые ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, испуская рентгеновские кванты электромагнитного излучения:

С увеличением заряда атома анода увеличивается частота излучаемого характеристического излучения. Такую закономерность называют законом Мозли:

где – частота спектральной линии характеристического рентгеновского излучения;

Z – атомный номер испускающего элемента; А и В – постоянные.

Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Рис. 44. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Поток рентгеновского излучения (Ф):

Z – порядковый номер атома вещества анода;

k = – коэффициент пропорциональности;

I – сила тока в рентгеновской трубке;

U – напряжение в рентгеновской трубке.

где – частота спектральной линии характеристического рентгеновского излучения;

Z – атомный номер испускающего элемента; А и В – постоянные.

Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Особенности характеристического рентгеновского излучения

Баркла в своих опытах установил, что рентгеновское излучение, которое исходит из антикатода рентгеновской трубки, состоит из двух частей. Одна из таких частей -- тормозное излучение, которое возникает при торможении электронов в антикатоде. Свойство данного типа излучения совершенно не зависят от материала антикатода.

Спектр тормозного излучения при разложении по длинам волн является сплошным. По аналогии с белым светом его также называют белым рентгеновским излучением. В направлении длинных волн интенсивность тормозного излучения падает полого и по асимптоте стремится к нулю. Со стороны коротких длин волн сплошной спектр резко обрывается. Данная особенность сплошного рентгеновского спектра объясняется его квантовой природой. Граница коротких длин волн сплошного рентгеновского спектра определена выражением:

где $U$ -- напряжение на рентгеновской трубке. Коротковолновая граница не зависит от материала антикатода. Она определена напряжением на трубке. Относительное распределение энергии по длинам волн в спектре тормозного рентгеновского излучения от материала анода (антикатода) не зависит. Он влияет только на интегральную интенсивность излучения.

Если увеличивать напряжение выше некоторого определенного предела, то на сплошной спектр рентгеновского излучения накладывается система узких спектральных линий, которые относятся ко второму типу рентгеновского излучения -- характеристическому рентгеновскому излучению. И в этом случае коротковолновая граница рентгеновского спектра имеется, и она определена формулой (1). Существование данной границы является существенным проявлением корпускулярных свойств рентгеновского излучения.

Итак, характеристическое рентгеновское излучение обладает линейчатым спектром. Это значит, его спектр состоит из расположенных по определенному закону узких линий спектра. Длины волн данных линий зависят только от материала антикатода. В данном отношении линейчатый спектр характеристического рентгеновского излучения сравнивают со спектром газов в оптической области.

Готовые работы на аналогичную тему

Электронная бомбардировка анода порождает и сплошное и характеристическое излучения. Бомбардировка $\alpha \ $-- частицами или протонами антикатода возбуждает исключительно характеристическое излучение. Рентгеновские лучи, которые испускает вещество при воздействии других рентгеновских лучей, составлены фрагментарно из рассеянного первичного пучка, частично из характеристического излучения самого вещества. Характеристическое излучение возникает только тогда, когда напряжение на рентгеновской трубке становится выше, чем некоторое определенное значение, которое зависит только от материала анода.

Характеристическим рассматриваемое рентгеновское излучение было названо потому, что в отличие от тормозного излучения характеризует вещество антикатода.

Любая линия характеристического рентгеновского излучения появляется как результат перехода атома с одного энергоуровня на другой. Линия такой частоты определена правилом частот Бора:

Рентгеновское излучение является излучением с очень короткими волнами, следовательно, разность энергий в начальном и конечном состояниях атома большая. Если мы имеем дело с тяжелыми элементами, то она может в сотни тысяч раз превосходить соответствующую разность в оптической части спектра. Данный факт указывает на то, что в рассматриваемом нами излучении квантовые переходы осуществляют внутренние, а не валентные атомные электроны. Для появления возможности внутренних переходов надо чтобы внутри электронной оболочки атома имелись места незаполненные электронами. На эти места смогли бы перейти электроны из других квантовых состояний атома. Подобные вакантные места возникают, если на атом воздействовать при помощи быстрых электронов, фотонов, обладающих высокой энергией или другими быстрыми частицами.

Характеристический спектр рентгеновского излучения состоит из серий линий. Серии обозначают латинскими буквами, начиная с $K$ ($K,L,M$. ). Серия $K$ появляется в результате перехода возбужденного атома с уровня $K$ на находящиеся ниже подуровни слоев $L,M$. Серия $L$ возникает при переходе с подуровней слоя $L$ и т.д.

Линии серии $K$ имеют дублетную структуру. Компоненты дублетов обозначают как $K__1>,\ K__2>;K__1>,\ K__2>;\dots $ Серии $L,M,N$ имеют мультиплетную структуру. Для обозначения линий мультиплетов используют греческие буквы и цифровыми индексами. Буква $\alpha $ означает, что переход был сделан с ближайшего слоя, буква $\beta $ говорит о том, что переход совершился со следующего за ближайшим слоя и т.д. Индексы из цифр при греческих буквах указывают нумерацию линий в порядке уменьшения длин волн.

Отличие характеристических рентгеновских секторов состоит в том, что они для разных элементов просты и однообразны в отличие от оптических линейчатых спектров. Это объясняется тем, что при переходе от одного элемента к следующему структура внутренних оболочек атома мало изменяется. При увеличении $Z$ элемента на один рентгеновский характеристический спектр сохраняет свой вид. При этом возникает только несущественное смещение всех рентгеновских линий в направлении коротких длин волн.

Характеристические спектры рентгеновского излучения дают возможность однозначно определять номера элементов в периодической системе. Что позволяет судить о полноте заполнения мест в периодической системе или есть еще неоткрытые элементы.

Длины волн характеристических рентгеновских лучей зависят исключительно от внутренней структуры атомных электронных оболочек. Что является атомным свойством элемента. Отсюда становится понятным, почему в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой был бы у него одного. Спектр соединения элементов является простым наложением спектров составляющих его компонент.

Мозли эмпирическим путем установил, что:

где $\nu $ -- частота колебаний линии $K$ -- серии, $Z$ -- атомный номер элемента, $\sigma $ -- некоторая постоянная экранирования, $M$ постоянная. Выражение (3) показывает, что $\sqrt$ представляется в виде плавной кривой, близкой к прямой линии. Формула (3) будет справедлива для других серий $(L,M,L. )$, но с другими численными значениями величин $M\ \ у$. Выражение (3) называется законом Мозли. Данное выражение определяет смещение характеристических спектров при переходе от одного элемента к другому. Более точные исследования обнаружили, что отступления от линейной зависимости (3) для серий $K$ и $L$ крайне не существенны и становятся заметны только для последующих серий.

Примеры задач

Сформулируйте самые значимые отличительные черты спектров характеристического рентгеновского излучения.

Линейчатые спектры характеристического рентгеновского излучения просты и однообразны в сравнении с оптическими линейчатыми спектрами.
Если атомный номер элемента увеличивается, то линейчатые спектры рентгеновского излучения монотонно смещаются в коротковолновую сторону.
Длины волн характеристических рентгеновских лучей зависят исключительно от внутренней структуры атомных электронных оболочек. Линейчатые рентгеновские спектры различных элементов не изменяются, если изучаемый элемент соединяется с другим элементом.
Линейчатые рентгеновские спектры имеют несколько серий, которые называют: $K,L,M. $ сериями. Каждая серия составлена из небольшого количества линий, например: $K_,\ K_,K_<\gamma >,\dots ,L_,\ L_,L_<\gamma >,\dots $. При этом длины волн линий убывают.

Объясните, в чем принципиальное отличие оптических линейчатых спектров от спектра характеристического рентгеновского излучения.

Оптические линейчатые спектры атомов определены поведением валентных электронов. Так, при образовании химических связей состояние внешних электронов изменяется, что не может не сказаться на оптическом спектре.

Рентгеновские линейчатые спектры являются индивидуальной характеристикой атома, которая показывает природу характеристического рентгеновского излучения. Оно возникает при процессах, которые происходят во внутренних заполненных слоях атомов, которые не изменяются при вступлении элементов в химические реакции. Так, в сплавах и химических соединениях каждый элемент дает такой же характеристический спектр, какой был бы у него одного. Спектр соединения элементов является простым наложением спектров составляющих его компонент.

Рентгенология — раздел радиологии, изучающий воздействие на организм животных и человека рентгеновского излучения, возникающие от этого заболевания, их лечение и профилактику, а также методы диагностики различных патологий при помощи рентгеновских лучей (рентгенодиагностика). В состав типового рентгенодиагностического аппарата входит питающее устройство (трансформаторы), высоковольтный выпрямитель, преобразующий переменный ток электрической сети в постоянный, пульт управления, штатив и рентгеновская трубка.

Рентгеновские лучи — это вид электромагнитных колебаний, которые образуются в рентгеновской трубке при резком торможении ускоренных электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода. В настоящее время общепризнанной считается точка зрения, что рентгеновские лучи по своей физической природе являются одним из видов лучистой энергии, спектр которых включает также радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи и гамма-лучи радиоактивных элементов. Рентгеновское излучение можно характеризовать как совокупность его наименьших частиц — квантов или фотонов.

Рис. 1 — передвижной рентгеновский аппарат:

A — рентгеновская трубка;
Б — питающее устройство;
В — регулируемый штатив.

Рис. 2 — пульт управления рентгеновским аппаратом (механический — слева и электронный — справа):

A — панель для регулирования экспозиции и жёсткости;
Б — кнопка подачи высокого напряжения.

Рис. 3 — блок-схема типичного рентгенаппарата

1 — сеть;
2 — автотрансформатор;
3 — повышающий трансформатор;
4 — рентгеновская трубка;
5 — анод;
6 — катод;
7 — понижающий трансформатор.

Механизм образования рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи образуются в момент столкновения потока ускоренных электронов с веществом анода. При взаимодействии электронов с мишенью 99% их кинетической энергии превращается в тепловую энергию и только 1% — в рентгеновское излучение.

Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, в который впаяны 2 электрода: катод и анод. Из стеклянного баллона выкачен воздух: движение электронов от катода к аноду возможно лишь в условиях относительного вакуума (10 -7 –10 -8 мм. рт. ст.). На катоде имеется нить накала, являющаяся плотно скрученной вольфрамовой спиралью. При подаче электрического тока на нить накала происходит электронная эмиссия, при которой электроны отделяются от спирали и образуют рядом с катодом электронное облачко. Это облачко концентрируется у фокусирующей чашечки катода, задающей направление движения электронов. Чашечка — небольшое углубление в катоде. Анод, в свою очередь, содержит вольфрамовую металлическую пластину, на которую фокусируются электроны, — это и есть место образования рентгеновских лучей.

Рис. 4 — устройство рентгеновской трубки: А — катод;
Б — анод;
В — вольфрамовая нить накала;
Г — фокусирующая чашечка катода;
Д — поток ускоренных электронов;
Е — вольфрамовая мишень;
Ж — стеклянная колба;
З — окно из бериллия;
И — образованные рентгеновские лучи;
К — алюминиевый фильтр.

К электронной трубке подключены 2 трансформатора: понижающий и повышающий. Понижающий трансформатор раскаляет вольфрамовую спираль низким напряжением (5—15 вольт), в результате чего возникает электронная эмиссия. Повышающий, или высоковольтный, трансформатор подходит непосредственно к катоду и аноду, на которые подаётся напряжение 20–140 киловольт. Оба трансформатора помещаются в высоковольтный блок рентгеновского аппарата, который наполнен трансформаторным маслом, обеспечивающим охлаждение трансформаторов и их надёжную изоляцию.

После того как при помощи понижающего трансформатора образовалось электронное облачко, включается повышающий трансформатор, и на оба полюса электрической цепи подаётся высоковольтное напряжение: положительный импульс — на анод, и отрицательный — на катод. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются от отрицательно заряженного катода и стремятся к положительно заряженному аноду — за счёт такой разности потенциалов достигается высокая скорость движения — 100 тыс. км/с. С этой скоростью электроны бомбардируют вольфрамовую пластину анода, замыкая электрическую цепь, в результате чего возникает рентгеновское излучение и тепловая энергия.

Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное и характеристическое. Тормозное излучение возникает из-за резкого замедления скорости электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью. Характеристическое излучение возникает в момент перестройки электронных оболочек атомов. Оба этих вида образуются в рентгеновской трубке в момент столкновения ускоренных электронов с атомами вещества анода. Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских излучений.

Рис. 5 — принцип образования тормозного рентгеновского излучения. Рис. 6 — принцип образования характеристического рентгеновского излучения.

Основные свойства рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи невидимы для визуального восприятия.
Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью сквозь органы и ткани живого организма, а также плотные структуры неживой природы, не пропускающие лучи видимого света.
Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых химических соединений, называемое флюоресценцией.
- Сульфиды цинка и кадмия флюоресцируют жёлто-зелёным цветом,
- Кристаллы вольфрамата кальция — фиолетово-голубым.
Рентгеновские лучи обладают фотохимическим действием: разлагают соединения серебра с галогенами и вызывают почернение фотографических слоёв, формируя изображение на рентгеновском снимке.
Рентгеновские лучи передают свою энергию атомам и молекулам окружающей среды, через которую они проходят, проявляя ионизирующее действие.
Рентгеновское излучение оказывает выраженное биологическое действие в облучённых органах и тканях: в небольших дозах стимулирует обмен веществ, в больших — может привести к развитию лучевых поражений, а также острой лучевой болезни. Биологическое свойство позволяет примененять рентгеновское излучение для лечения опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний.

Шкала электромагнитных колебаний

радиоволны	инфракрасное излучение	видимый свет	ультрафиолетовое излучение	рентгеновское излучение	γ-излучение (гамма)	космическое излучение
30 км–0,15 см	0,15 см–700 нм	700–400 нм	400–1,5 нм	1,5–3×10 -3 нм	3×10 -3 –1×10 -3 нм	1×10 -3 –5×10 -5 нм

Рентгеновские лучи имеют определённую длину волны и частоту колебаний. Длина волны (λ) и частота колебаний (ν) связаны соотношением: λ • ν = c, где c — скорость света, округлённо равная 300 000 км в секунду. Энергия рентгеновских лучей определяется формулой E = h • ν, где h — постоянная Планка, универсальная постоянная, равная 6,626 • 10 -34 Дж⋅с. Длина волны лучей (λ) связана с их энергией (E) соотношением: λ = 12,4 / E.

Рентгеновское излучение отличается от других видов электромагнитных колебаний длиной волны (см. таблицу) и энергией кванта. Чем короче длина волны, тем выше её частота, энергия и проникающая способность. Длина волны рентгеновского излучения находится в интервале 1,5–3×10 -3 нм. Изменяя длину волны рентгеновского излучения, можно регулировать его проникающую способность. Рентгеновские лучи имеют очень малую длину волны, но большую частоту колебаний, поэтому невидимы человеческим глазом. Благодаря огромной энергии кванты обладают большой проникающей способностью, что является одним из главных свойств, обеспечивающих использование рентгеновского излучения в медицине и других науках.

Характеристики рентгеновского излучения

Интенсивность — количественная характеристика рентгеновского излучения, которая выражается количеством лучей, испускаемых трубкой в единицу времени. Интенсивность рентгеновского излучения измеряется в миллиамперах. Сравнивая её с интенсивностью видимого света от обычной лампы накаливания, можно провести аналогию: так, лампа на 20 Ватт будет светить с одной интенсивностью, или силой, а лампа на 200 Ватт — с другой, при этом качество самого света (его спектр) является одинаковым. Интенсивность рентгеновского излучения, по сути, это его количество. Каждый электрон создаёт на аноде один или несколько квантов излучения, следовательно, количество рентгеновских лучей при экспонировании объекта регулируется путём изменения количества электронов, стремящихся к аноду, и количества взаимодействий электронов с атомами вольфрамовой мишени, что можно осуществить двумя путями:

Изменяя степень накала спирали катода при помощи понижающего трансформатора (количество электронов, образующихся при эмиссии, будет зависеть от того, насколько сильно раскалена вольфрамовая спираль, а количество квантов излучения будет зависеть от количества электронов);
Изменяя величину высокого напряжения, подводимого повышающим трансформатором к полюсам трубки — кадоду и аноду (чем выше напряжение подаётся на полюса трубки, тем большую кинетическую энергию получают электроны, которые за счёт своей энергии могут взаимодействовать с несколькими атомами вещества анода поочерёдно — см. рис. 5; электроны с низкой энергией смогут вступить в меньшее число взаимодействий).

Интенсивность рентгеновского излучения (анодный ток), помноженная на выдержку (время работы трубки), соответствует экспозиции рентгеновского излучения, которая измеряется в мАс (миллиамперах в секунду). Экспозиция — это параметр, который, также как и интенсивность, характеризует количество лучей, испускаемых рентгеновской трубкой. Разница состоит лишь в том, что экспозиция учитывает ещё и время работы трубки (так, например, если трубка работает 0,01 сек., то количество лучей будет одним, а если 0,02 сек, то количество лучей будет другим — в два раза больше). Экспозиция излучения устанавливается рентгенологом на контрольной панели рентгеновского аппарата в зависимости от вида исследования, размеров исследуемого объекта и диагностической задачи.

Жёсткость — качественная характеристика рентгеновского излучения. Измеряется величиной высокого напряжения на трубке — в киловольтах. Определяет проникающую способность рентгеновских лучей. Регулируется величиной высокого напряжения, подводимого к рентгеновской трубке повышающим трансформатором. Чем выше разность потенциалов создаётся на электродах трубки, тем с большей силой электроны отталкиваются от катода и устремляются к аноду и тем сильнее их столкновение с анодом. Чем сильнее их столкновение, тем короче длина волны у возникающего рентгеновского излучения и выше проникающая способность данной волны (или жёсткость излучения, которая, так же как и интенсивность, регулируется на контрольной панели параметром напряжением на трубке — киловольтажем).

Рис. 7 — Зависимость длины волны от энергии волны:

λ — длина волны;
E — энергия волны

Классификация рентгеновских трубок

По назначению
1. Диагностические
2. Терапевтические
3. Для структурного анализа
4. Для просвечивания
1. По фокусности
  - Однофокусные (на катоде одна спираль, а на аноде одно фокусное пятно)
  - Двухфокусные (на катоде две спирали разного размера, а на аноде два фокусных пятна)
1. По типу анода
  - Стационарный (неподвижный)
  - Вращающийся
Рентгеновские лучи применяются не только в рентгенодиагностических целях, но также и в терапевтических. Как было отмечено выше, способноcть рентгеновского излучения подавлять рост опухолевых клеток позволяет использовать его в лучевой терапии онкологических заболеваний. Помимо медицинской области применения, рентгеновское излучение нашло широкое применение в инженерно-технической сфере, материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии: так, например, возможно выявление структурных дефектов в различных изделиях (рельсах, сварочных швах и пр.) с помощью рентгеновского излучения. Вид такого исследования называется дефектоскопией. А в аэропортах, на вокзалах и других местах массового скопления людей активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы для просвечивания ручной клади и багажа в целях безопасности.

В зависимости от типа анода, рентгеновские трубки различаются по конструкции. В силу того, что 99% кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, во время работы трубки происходит значительное нагревание анода — чувствительная вольфрамовая мишень часто сгорает. Охлаждение анода осуществляется в современных рентгеновских трубках при помощи его вращения. Вращающийся анод имеет форму диска, который распределяет тепло по всей своей поверхности равномерно, препятствуя локальному перегреву вольфрамовой мишени.

Конструкция рентгеновских трубок различается также по фокусности. Фокусное пятно — участок анода, на котором происходит генерирование рабочего пучка рентгеновского излучения. Подразделяется на реальное фокусное пятно и эффективное фокусное пятно (рис. 12). Из-за того, что анод расположен под углом, эффективное фокусное пятно меньше, чем реальное. Различные размеры фокусного пятна используются в зависимости от величины области снимка. Чем больше область снимка, тем шире должно быть фокусное пятно, чтобы покрыть всю площадь снимка. Однако меньшее фокусное пятно формирует лучшую чёткость изображения. Поэтому при производстве небольших снимков используется короткая нить накала и электроны направляются на небольшую область мишени анода, создавая меньшее фокусное пятно.

Рис. 9 — рентгеновская трубка со стационарным анодом. Рис. 10 — рентгеновская трубка с вращающимся анодом. Рис. 11 — устройство рентгеновской трубки с вращающимся анодом. Рис. 12 — схема образования реального и эффективного фокусного пятна.

Функция печати недоступна из системного меню вашего браузера. Для того чтобы распечатать эту страницу, нажмите на ссылку "Версия для печати" в заголовке статьи.

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах. Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла. Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность. Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В. Рентгеном (1845-1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией. Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л. Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.
ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1. Широкий "континуум" называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2).

Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит из непрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики). Линии К / ia и К / ib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов с электронами внутренней К-оболочки.

Рис. 2. ДЛИНА ВОЛНЫ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, испускаемого химическими элементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует закону Мозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волны характеристической линии.

Если электрон наталкивается на относительно тяжелое ядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в виде рентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра, то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимся на его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона с какой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя граница которого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизм образования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длина волны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющему напряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральные линии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектр определяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материала мишени. Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.
Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались "глубоко вакуумированными" трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким. В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов. В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

Рис. 3. РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.

Рис. 4. УСИЛЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА происходит, когда разность хода волн, рассеянных соседними атомами, равна целому кратному длины волны. Здесь a0 - угол падения, a - угол дифракции, a - расстояние между атомами.

Рис. 5. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ при каждом значении h можно представить в виде семейства конусов, общая ось которых направлена по кристаллографической оси (для двух других осей можно нарисовать сходные картины). На уравнениях Лауэ основан эффективный метод исследования кристаллических структур.

Чтобы распространить этот подход на трехмерный кристалл, необходимо лишь выбрать ряды атомов по двум другим направлениям в кристалле и решить совместно полученные таким образом три уравнения для трех кристаллических осей с периодами a, b и c. Два других уравнения имеют вид

Это - три фундаментальных уравнения Лауэ для дифракции рентгеновского излучения, причем числа h, k и c - индексы Миллера для плоскости дифракции.
См. также КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. Рассматривая любое из уравнений Лауэ, например первое, можно заметить, что, поскольку a, a0, l - константы, а h = 0, 1, 2, . его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a (рис. 5). То же самое верно для направлений b и c. В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция) три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса, расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересечения показана на рис. 6. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга - Вульфа:

Рис. 6. ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ соответствует пересечению трех конусов с осями a, b, c, имеющих общую прямую R.

l = 2(d/n)sinq, где d - расстояние между плоскостями с индексами h, k и c (период), n = 1, 2, . - целые числа (порядок дифракции), а q - угол, образуемый падающим пучком (а также и дифрагирующим) с плоскостью кристалла, в которой происходит дифракция. Анализируя уравнение закона Брэгга - Вульфа для монокристалла, расположенного на пути монохроматического пучка рентгеновского излучения, можно заключить, что дифракцию непросто наблюдать, т.к. величины l и q фиксированы, а sinq

Читайте также: