<<
>>

2.4. Рентгеновы лучи

Боровская модель атома, несмотря на свой непоследователь­ный, полуквантовый-полуклассический характер, даёт возможность прояснить закономерности не только оптической (т. е. видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной) части электромагнитного спектра.

Она позволяет также понять и происхождение линий рентгеновского спектра, излучаемого ато­мами тяжелых элементов.

К рентгеновским лучам (открыты В. Рентгеном в 1895 г.) относят электромагнитные волны, имеющие длины волн на два-три порядка меньше длины волны видимых лу­чей. Соответственно энергия квантов рентгеновского излучения в сотни и тысячи раз превышает энергию квантов видимых лучей.

Рентгеновская трубка, служащая для получения этого излучения, изображена на рис. 2.9. Электроны, испускаемые накаливаемым ка­тодом, попадают в электростатическое поле и ускоряются разностью потенциалов, которая достигает нескольких десятков тысяч вольт. Ускоренные этим высоким напряжением электроны ударяются об антикатод, выполняемый обычно из тугоплавких металлов. Рентгеновское излуче­ние, вызванное этими ударами, имеет спектр двух типов: сплошной тормозной спектр и линейчатый характеристический спектр. Тормозной спектр вызван тем, что электроны, испытав соударение с атомами мишени, теряют либо часть своей кинетической энергии Ек, либо всю её. Они быстро замедляются, испуская кванты электромагнитного излучения. При полной потере энергии электрон испускает квант с максимально возможной, так называемой гранич­ной частотой ν0:

, (2.18)

где u — напряжение между катодом и антикатодом рентге­новской трубки, ускоряющее электроны.

Естественно, что любые другие частоты, меньшие, чем n0, испускаются теми электронами, которые теряют свою кинетическую энергию не полностью, а лишь замедляют свое движение.

Тормозной спектр, следовательно, сплошной, но имеет коротковолновую границу. Причём, излучается он не только рентгеновской трубкой, но и всегда, когда имеет место резкое торможение быстрых электронов (например, в кинескопе телевизора, особенно с большим экраном, где ускоряющее напряжение может достигать 50 кВ). Происхождение характеристического рентгеновского спек­тра иллюстрирует рис. 2.10, где изображён атом алюминия.

.

Когда атом не возбуждён, его 13 электронов занимают возможно более низкие энергетические уровни, расположенные слоями, образующими электронные оболочки, которые принято обозначать заглавными буквами, начиная с самой близкой к ядру: K, L, M, и т. д.

Излучение рентгеновских лучей связано с бомбардировкой твёрдого тела быстро летящими электронами, один из которых пока­зан в верхней части рисунка, а траектория его изображена пункти­ром. Пролетая через электронную оболочку, он может оказаться вблизи любого из электронов оболочки и, благодаря отталкиванию, вытолкнуть его. На рисунке выбитым оказался электрон К-слоя. На К-слое остался всего один электрон, и свободное место было занято электроном L-слоя, при переходе которого излучился квант hνрент. и образовалась Ka-линия К-серии рентгенов­ского характеристического спектра. Если бы свободное место было занято электроном М-слоя, образовалась бы Kb-линия этой же К-серии. Переход электронов на места, освободившиеся на К-оболочке в результате об­стрела мишени, дают совокупность линий, на­зываемую К-серией. С равной вероятностью могут освободиться места в L-слое, тогда образуется L-серия линий.

На этом же рисунке показан переход одного из электронов в последней для алю­миния М-оболочке с нижнего её уровня l = 0 на уровень l = 1. Этот пе­реход может быть вызван тепловыми ударами соседних атомов. Возвращение электрона в исходное состояние связано с излучением кванта види­мого света hnвид..

Очевидно, что этот квант имеет существенно мень­шую энергию, нежели квант рентгеновского излучения hnpент., ведь вели­чина каждого кванта определяется разностью энергий уровней, ме­жду которыми произошли переходы, то есть вторым боровским по­стулатом. Длины волн характеристического спектра рассчитываются по формуле Мозли, подоб­ной сериальной формуле (2.5):
, (2.19)

где Z ­— порядковый номер химического элемента — металла, из которого изготовлен антикатод; b — некоторая посто­янная, носящая название постоянной экранирования. Название этой постоянной объясняется тем, что между ядром атома и электронами в слоях, начиная с L-слоя, находятся электроны более близких к ядру оболочек, которые уменьшают силу притяжения ядра, экранируют ядро от электронов в более удалённых оболочках. Для К-серии b = 1 (К-оболочка как бы уменьшает заряд ядра на 1е). Для остальных серий постоянная экранирования значительно больше, её значение находится экспериментально и приводится в таб­лицах.

Рис. 2.11 схематически поясняет происхождение серий, иллюстрируя, какие значения n и m следует брать для каждой линии. Следует обратить внимание, что на рис. 2.10 показаны уровни энергии, различающиеся в каждой оболочке значениями l – орби­тального квантового числа, а на рис. 2.11 этим различием (тонкой структурой) мы пренебрегаем.

Рентгеновы лучи в силу большой энергии своих квантов имеют ряд характерных свойств, которые здесь уместно отметить. Наиболее характерным и поразительным свойством рентгеновского излучения является его способность проникать через вещества, не­прозрачные для других излучений. Благодаря этому свойству откры­тие рентгеновских лучей привлекло к себе широкое общественное внимание, стало газетной сенсацией. С этим их свойством связано и широкое их применение в медицине.

Ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи поглоща­ются веществом потому, что передают свою энергию электронам поглощающего их вещества, переводя их на более высокий уровень (см. рис. 2.9). Для рентгеновых лучей, энергия которых на несколько по­рядков выше, такая потеря энергии несущественна. Они при этом теряют лишь малую часть своей энергии. В результате они проходят вглубь вещества. Если через I обозначить интенсивность рентгенов­ских лучей, подошедших к слою вещества толщиной dx, то dI — это приращение интенсивности при прохождении этого слоя. Очевидно, что оно будет зависеть как от толщины слоя, так и от величины самой ин­тенсивности:

dI = – μIdx, (2.20)

где μ — коэффициент пропорциональности, именуемый линейным ко­эффици­ентом поглощения. Он имеет размерность, обратную длине, зависит от частоты лучей и от поглощающего вещества, и равен относительному уменьшению интенсивности на единице длины поглотителя. Знак "минус" показывает, что величина I уменьшается, то есть её приращение отрицательно. Разделив переменные и про­интегрировав по I и по х в соответствующих пределах, получим

, (2.21)

где I — интенсивность на выходе из слоя толщиной х; I0 — на входе в вещество. Уравнение характеризует ослабление энергии излучения при прохождении через ве­щество. Наряду с линейным коэффициентом m используют также массовый коэффициент поглощения

mм = m/r, (2.22)

где ρ — плот­ность вещества.

Механизм ослабления рентгеновских лучей бывает разным. Квант рентгеновского излучения может ионизировать атом, т. е. выбить электрон с его ор­биты. Этот случай называют внутренним фото­эффектом (рис. 2.12а). При определённых условиях электрон, ос­тавшись на орбите, испытает отдачу — получит некоторый импульс, а рентгеновский луч будет отклонён от своего пути — рассеян (рис. 2.12б). Этот случай носит название эффекта Комптона, по имени его открывателя, американского физика. Наконец, третий случай — об­разование пары электрон — позитрон. Он имеет место, если энергия рентгеновских квантов очень велика ( 1,02 МэВ) и квант проходит рядом с ядром (рис. 2.12в).

Остановимся более подробно на первом случае. Ионизи­рующее действие рентгеновских лучей приводит к тому, что в погло­щающем веществе происходят молекулярные изменения. Эти эф­фекты особенно велики в сложных органических молекулах и поэтому рент­геновское излучение вредно для живой ткани. Для количественной характеристики ионизирующего излучения введена единица его измерения — рентген (обозначается Р). Она уста­новлена в 1937 году и определяется по производимой лучами ионизации воздуха.

Рентген — количество ионизирующего излучения (экспозиционная доза), которое вызывает появление в 1 см3 сухого воздуха при нормальных условиях такого числа положительных и отрицательных ионов, что суммарно они несут 1 единицу заряда СГС каждого знака. Еди­ница заряда в системе единиц СГС составляет Кл, и 1 Р = 2,58?10–4 Кл/кг. Воздух выбран потому, что условия, оговорённые выше, легко получить и воспроизвести. По­мимо этого, коэффициент поглощения рентгеновских лучей в воздухе в широ­ком диапазоне длин волн близок к тому, что имеют ткани человече­ского организма.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 2.4. Рентгеновы лучи:

  1. 1. Содержание (функции) государственного управления
  2. Тема 16. Производство по делам об административных правонарушениях
  3. 3.1. Формирование стратегии развития системы персональных финансов
  4. ГЛОССАРИЙ
  5. Анализ содержания учебного материала школьных учебников с позиции их ориентации на достижение личностных результатов обучения
  6. Введение
  7. Глава I. ОПТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ В КРИСТАЛЛАХ.
  8. 2. Права и обязанности сторон по договору купли-продажи.
  9. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ И СТРУКТУРЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЛИЧНОСТИ СУБЪЕКТА ТРУДА (МЕНЕДЖЕРА КОММЕРЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ)
  10. 34. Наем жилого помещения на коммерческой основе: юридическая характеристика, элементы, срок, отличие от договора социального найма.
  11. Приложение 17.
  12. Антонов Ярослав Валерьевич. Электронное голосование в системе электронной демократии: конституционно-правовое исследование. Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук. Москва - 2015, 2015
  13. Рентгенофазовый анализ
  14. З.ИСЛАМОВ. ОБЩЕСТВО. ГОСУДАРСТВО. ПРАВО. (Вопросы теории) Ташкент, «Адолат» - 2001, 2001
  15. Фигуры, промежуточные между кругом и правильными многоугольниками
  16. Графическое представление решений для пластинок в виде треугольников
  17. ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА ПЛИТ
  18. 2.4 Сегментация и построение контуров изображений объектов
  19. СУБЪЕКТЫ АДМИНИСТРАТИВНОГО ПРАВА