Рентгеновское излучение это электромагнитное излучение с длиной волны в пределах от 10 до 0,001 ммк (с помощью бетатрона можно получить излучение с еще меньшей длиной волны, в зарубежной литературе оно часто называется Х-лучами).
Длину волны рентгеновского излучения часто выражают в ангстремах, (А). Ангстрем равен 10-8 см или 0,1 ммк.
Что такое рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение невидимо для глаза, поэтому все наблюдения с ним производятся при помощи флуоресцирующих экранов, которые светятся под действием излучения или с помощью фотографии.
Характерно также то, что большинство тел, непроницаемых для оптического излучения, в значительной мере прозрачно для рентгеновского.
Свойства рентгеновского излучения имеет, общие для электромагнитного излучения. Однако вследствие малой длины волны некоторые из этих свойств трудно обнаружить.
Поэтому волновая природа рентгеновского излучения была установлена значительно позже его открытия.
В этом отношении большое значение имел опыт по дифракции рентгеновского излучения, осуществленный М. Лауэ в 1912 г.
Дифракции рентгеновского излучения
Идея Лауэ заключалась в том, что благодаря очень малой длине волны рентгеновского излучения дифракционной решеткой для него может служить пространственная решетка кристалла.
В опыте Лауэ (рис. 2, а) узкий пучок рентгеновского излучения от источника Р (рентгеновская трубка), выделенный с помощью двух свинцовых диафрагм Д1 и Д2, направлялся на фотопластинку П через кристалл К.
На фотопластинке, кроме центрального пятна, соответствующего прямому направлению лучей, был обнаружен ряд правильно расположенных пятнышек, положение которых отражало структуру кристалла.
Пятнышки являлись результатом усиления колебаний по определенным направлениям при интерференции волн, претерпевших дифракцию на атомах и молекулах кристалла. Для примера на рис. 2, б схематически показана лауэграмма кристалла минерала берилла.
Позже были получены картины дифракции рентгеновских лучей на поликристаллической пластинке, которые оказались аналогичными картине при дифракции видимого излучения.
Опыты Лауэ были положены в основу метода исследования строения кристаллов с помощью дифракции рентгеновского излучения, называемого рентгеноструктурным анализом.
Возбуждения рентгеновского излучения
По способу возбуждения рентгеновское излучение может быть характеристическим и тормозным. Характеристическое излучение возникает при переходе электронов между внутренними оболочками атомов с высоким порядковым номером (оболочки К, L, М).
Если под влиянием внешнего воздействия электрон с какой-либо из этих оболочек удален за пределы атома (или перемещен на дополнительную орбиту), то на освободившееся место переходит электрон с соседней оболочки, имеющей более высокий энергетический уровень.
При этом излучается фотон рентгеновского излучения (рис. 3, а). Воздействие, с помощью которого электрон выбивается из внутренних слоев оболочки, должно быть достаточно сильным.
Это может быть удар частицей, например электроном, с достаточно высокой кинетической энергией или поглощение фотона гамма-излучения.
Излучение дает линейчатый спектр, характерный для вещества, в котором оно вызывается.
Тормозное рентгеновское излучение
Тормозное излучение возникает при торможении электронов в поле атомов.
Если электрон с высокой кинетической энергией пролетает сквозь вещество, то в результате взаимодействия с электрическим полем атомов (поле между ядром и электронами) электрон замедляется (тормозится) и при этом отдает свою энергию в форме фотона электромагнитного излучения (рис. 3, б).
Механизм излучения можно объяснить, рассматривая движущийся электрон как некоторый ток, образующий свое магнитное поле.
Замедление движения электрона равносильно снижению силы тока и соответственно изменению напряженности магнитного поля, что влечет за собой образование импульса электромагнитной волны.
Длина волны фотона соответствует энергии, которая отдается электроном.
Эта энергия в свою очередь зависит как от начальной кинетической энергии электрона, так и от интенсивности его торможения, т. е. от напряженности тормозящего поля.
При этом, если начальная кинетическая энергия электронов даже одинакова, то в веществе условия торможения их различны.
Поэтому и излучаемые фотоны имеют самую различную энергию, а следовательно, и длину волны, т. е. тормозное рентгеновское излучение характеризуется сплошным спектром.
Рентгеновская трубка
Источники рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.
Трубка (рис. 552) состоит из стеклянной колбы Б с высоким вакуумом (давление газа порядка 10-6—10-7 мм рт. ст.), в котором находятся два электрода: анод А и катод К- Катод имеет форму спирали накала и является источником электронов.
Анод—массивный стержень, на скошенном торце которого имеется пластинка металла с высоким атомным номером. Электроны Э ускоряются электрическим полем, которое образуется с помощью высокого напряжения, приложенного между анодом и катодом трубки.
Падая на анод, электроны взаимодействуют с атомами вещества зеркальца анода, в результате чего образуется в небольшом количестве (несколько процентов) характеристическое, а главным образом тормозное излучение.
Благодаря наклону торца анода пучок R излучения имеет направление, перпендикулярное оси трубки.
Мощность тормозного излучения
Общая мощность тормозного излучения, распределение ее по длинам волн, а также граница спектра со стороны коротких волн (см. рис. 5) зависят в основном от следующих трех факторов:
- Напряжения, приложенного между анодом и катодом трубки (напряжение, под которым ускоряются электроны);
- Количества электронов, участвующих в образовании излучения (ток в трубке)
- Природы вещества анода, в атомах которого происходит торможение электронов.
Граничная длина волны λк спектра со стороны коротких волн соответствует максимальной энергии фотона Ефм, которая отдается в условиях полного торможения электрона с наибольшей энергией Еэм. Эта энергия связана с напряжением U на трубке, под действием которого электрон ускоряется:
Ефм = Еэм = Uе,
где е — заряд электронов.
Энергия фотона
Eфм = hvк = h(c/λк)
следовательно:
h(c/λк) = eU,
откуда λк = hc/eU
Если выразить λк в миллимикронах и U в киловольтах и учесть остальные величины, то формула принимает вид:
λк = 1,24\U (ангстремах: λк = 12,4/U).
Графики относительного распределения мощности излучения в спектре при различном напряжении U на трубке приведены на рис. 5. Из графиков видно, что длина волны λm которой соответствует максимум мощности излучения, находится примерно в постоянном соотношении с граничной длиной волны λк:
λm = (3/2) λк
При изменении напряжения U на трубке изменяется как общая мощность излучения, так и распределение ее по длинам волн. Энергия излучения возрастает пропорционально примерно квадрату напряжения, а максимум энергии сдвигается в сторону более коротких волн (рис. 5).
Жесткое и мягкое рентгеновское излучение
Более коротковолновое (длина волны рентгеновского излучения порядка сотых долей миллимикрона) излучение имеет более высокую энергию фотонов и потому глубже проникает в вещество. Оно называется жестким.
Более длинноволновое (длина волны рентгеновского излучения порядка десятых долей миллимикрона) излучение является менее проникающим и называется мягким.
С повышением напряжения, ускоряющего электроны (т. е. напряжения между анодом и катодом трубки), возрастает жесткость излучения и его проникающая способность.
При изменении количества электронов, испускаемых катодом в единицу времени, что соответствует силе тока в анодной цепи трубки, общая мощность излучения изменяется примерно пропорционально первой степени тока.
Распределение ее по спектру остается без изменения.
При ином веществе анода вследствие изменения количества и расположения электронов в атомах вещества могут изменяться и условия торможения электронов.
Мощность тормозного излучения в этом случае возрастает пропорционально атомному номеру элемента, спектр излучения почти не изменяется.
В целом мощность (лучистый поток) Фэ тормозного излучения принимается прямо пропорциональной квадрату напряжения U2 на трубке, току I в трубке и атомному номеру Z вещества анода
Фэ = kIU2Z,
где k — некоторый коэффициент пропорциональности.
Статья на тему Рентгеновское излучение