Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации¹ А _и имеют место три главных процесса. (¹ Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.)

Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинно­волнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А _и.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. § 19.7).

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). В 1922 г. А. X. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона.

Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации): hv > А _и.

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hv фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv', на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А _и ) и сообщение электрону кинетической энергии Е _к:

hv = hv' + А _и. + Е _к. (26.6)

Так как обычно hv >> А _и, и тогда эффект Комптона происходит как бы на свободных электронах, то можно записать приближенно

hv» hv' + Е_к. (26.7)

Существенно, что в этом явлении (рис 26.9) наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е_к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов. Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т. д. явлениям. Так, например, атомы с вакансией (отсутствием) электрона на одной из внутренних оболочек могут излучать характеристический рентгеновский спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т. п.

На рис. 26.10 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения.

Рис. 26.10

Процессы, представленные схемой рис. 26.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.

Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом. Запишем его в виде

Ф = Ф₀е^{-m х} (26.8)

где m — линейный коэффициент ослабления. Его можно пред­ставить состоящим из трех слагаемых соответствующих когерентному рассеянию m_к, некогерентному m_нк и фотоэффекту m_ф:

(26.9)

Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то ослабление пучка не изменится, так как число атомов остается прежним. Следовательно, показатель степени в формуле (26.8) не изменится:

(26.10)

x ₂ = x ₁/b, так как при сжатии толщина поглощающего слоя уменьшилась в b раз. Из (26.10) имеем m₁ = m₂/ b.

Это означает, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества.

Линейный коэффициент поглощения вещества увеличивается при увеличении атомного числа и плотности и зависит от энергии падающего рентгеновского излучения. В общем случае m увеличивается при уменьшении энергии рентгеновского излучения.

Рис.5. Изменение интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через поглощающую среду

Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества:

m _m = m/r. (26.11)

Дата добавления: 2014-01-07