Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение

Общие сведения

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Как указано в разделе V, рентгеновское излучение - это элект­ромагнитные волны в диапазоне от 10~^s нм до 80 нм.

8 ноября 1895 г. немецкий физик В. Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории. Он изучал катодные лучи. Около полуночи он собирался уйти домой. Однако после того, как погас свет, он заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказалось, что светился экран из синеродистого бария: Рентген забыл выключить катодную трубку. При выключении свечение исчезло, при повторном включении во­зобновилось. Однако трубка была закрыта черным чехлом из карто­на, а расстояние между трубкой и экраном было около 1 м!

Рентген начал изучать обнаруженное явление. Дни и ночи на­пролет в течение 50 суток, забыв семью, учеников, не заботясь о своем здоровье, Рентген изучает свойства Х-лучей. Оказалось, что они обладают большой проникающей способностью, а когда рука ученого оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране четкий силуэт ее костей. Он обнаруживает, что лучи засвечивают и фотопластинку.

28 декабря 1895 г. Рентген направляет свою статью «О новом роде лучей» председателю физико-медицинского общества универ­ситета, а 20 января 1896 г. американские врачи с помощью Х-лучей впервые увидели перелом руки человека. Над Европой и Америкой прокатился шквал газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета. Слава, триумф, почет, в 1901 г. вручение Нобелевской премии (Рентген стал первым в мире нобелевским лауреатом). Однако не это волнует ученого. Его ум занимает природа нового излучения. Проблема не поддается экспе­риментальному исследованию. Лишь спустя 16 лет(!), в 1912 г., в Мюнхенском университете М. Лауэ с помощниками открыл интер­ференцию и дифракцию рентгеновских лучей. Это была победа — волновые свойства новых лучей были доказаны!

Рентгеновская трубка - это стеклянная колба (давление внутри которой около 10~⁷—10"⁶ мм рт. ст.) с двумя электродами — катодом и анодом (рис. VIII. 1). Катод подключен к источнику низкого пере­менного напряжения (напряжение накала). При протекании по спи­рали катода переменного электрического тока она нагревается и некоторые свободные электроны получают дополнительную энер­гию, достаточную для того, чтобы покинуть поверхность катода. Попадая в электрическое поле между катодом и анодом, электроны разгоняются до больших скоростей, а затем резко тормозятся, по­падая в поле ионов кристаллической решетки анода. Изменение траектории электрона означает появление у него ускорения, а как следует из электродинамики Максвелла, любой ускоренно движу­щийся заряд излучает энергию в виде электромагнитных волн. В данном случае это электромагнитные волны рентгеновского диапа­зона, получившего по понятным причинам название тормозного. Спектр этого излучения приведен на рис. VIII.2.

Спектр непрерывный, но в нем обнаруживается коротковолно­вая граница Я,_тш. Она обусловлена тем, что энергия излучающегося

кванта рентгеновского излучения не может быть больше энергии, которую электрон приобрел в ускоряющем поле:

где h — постоянная Планка; v — частота рентгеновского кванта; е — заряд электрона; U — ускоряющее напряжение. Для максимальной частоты из­лученного рентгеновского кванта получим:

Это соответствует случаю, когда энергия тормозящегося элект­рона (eU) полностью переходит в энергию рентгеновского кванта (hv_max). Обладая максимально возможной частотой, квант будет ха­рактеризоваться минимальной длиной волны:

где с - скорость света.

Очевидно, что величиной Х_тш можно управлять, увеличивая или уменьшая ускоряющее напряжение U: чем оно больше, тем меньше и тем жестче будет возникающее рентгеновское излучение. Пло­щадь под спектральной кривой при некотором фиксированном на-

пряжении выражает полный поток Ф (или мощность) возникающе­го рентгеновского излучения. Он равен:

где I - сила тока в трубке; U - анодное напряжение; Z - порядко­вый номер атома вещества, из которого сделан анод; к — коэффи­циент пропорциональности.

Иногда на фоне сплошного спектра тормозного излучения на­блюдаются отдельные линии — это характеристическое рентгеновское излучение. Оно возникает в рентгеновской трубке, например, если бомбардирующий анод электрон обладает энергией, достаточной для того, чтобы «выбить» электрон с внутренней, глубинной орбитали атома вещества, из которого сделан анод. При этом на указанную орбиталь может перейти электрон с внешней орбитали (рис. VIII.3).

Такой переход, естественно, будет сопровождаться появлением кванта электромагнитного излучения; его длина волны будет соот­ветствовать рентгеновскому диапазону. Поскольку уровни энергии атома дискретны (подробно об этом см. раздел VII), то и спектр характеристического рентгеновского излучения, также будет диск­ретным (линейчатым) (рис. VIII.4).

Поскольку каждый атом характеризуется собственным (индиви­дуальным) набором энергетических уровней, то и спектр характе­ристического рентгеновского излучения будет индивидуальным для атомов того или иного химического элемента.

Дата добавления: 2014-01-05