Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений

Природа и виды рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка.

Понятие и виды ионизирующих излучений.

Лекция 1. Ионизирующее излучение. Понятие, природа, свойства.

1. Понятие и виды ионизирующих излучений.

2. Природа и виды рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка.

3. Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений.

4. Радиоактивность и её характеристики.

5. Виды радиоактивного распада.

Ионизирующие излучения - все излучения, которые при действии на вещество непосредственно вызывают его ионизацию.

Виды ионизирующих излучений:

1. Коротковолновое ультрафиолетовое

2. Рентгеновское излучение

3. Радиоактивные излучения:

a. Альфа-излучение

b. Бэтта-излучение

c. Гамма-излучение

d. Нейтронные излучения.

Рентгеновское излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, которое на шкале ЭМВ расположено между ультрафиолетовыми и гамма-лучами.

Виды рентгеновского излучения:

1. по длине волны и проникающей способности:

a. мягкое (длина волны больше, чем у жесткого, а проникающая способность меньше)

b. жёсткое

2. по механизмам излучения и спектрам:

a. тормозное

b. характеристическое

Все виды рентгеновского излучения можно получить с помощью рентгеновской трубки. Рентгеновская трубка – двухэлектродный вакуумный прибор, в основе работы которого лежит явление термоэлектронной эмиссии:

Электрические токи разогревают катод, и он испускает электроны. Вылетевшие электроны образуют электронное облако у катода. Электроны летят к аноду. У анода происходит их взаимодействие с атомарным электроном и веществом анода, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Анод выполняется из тугоплавких теплопроводных металлов с высокой молекулярной массой (например, вольфрама). Применяется специальное охлаждение анода водой, маслом, либо используется технология «вращающегося анода».

Тормозное рентгеновское излучение – излучение, которое образуется при торможении быстрых электронов атомарным электрическим полем анода (полем атомарных электронов).

Теория Максвелла: вокруг движущихся заряженных частиц существует электрическое и магнитное поле. Когда скорость электронов уменьшается, уменьшается и индукция магнитного поля, следовательно, в пространстве происходит цепочка взаимосвязанных изменений электрического и магнитного полей, т.е. порождается электрическая волна.

В рамках закона превращения энергии: при тормозном излучении уменьшающаяся кинетическая энергия электронов переходит в энергию электромагнитного излучения, а также внутреннюю энергию атомов анода, вызывая его нагревание.

, где е – заряд электрона; U – напряжение между катодом и анодом; Q – выделяющееся на аноде тепло; eU – энергия ускоренного электрона.

Соотношение между слагаемыми случайно, следовательно, при торможении большого числа электронов образуется радиоактивное излучение различных длин волн.

Зависимость потока рентгеновского излучения от его длины волны – спектр рентгеновского излучения. .

Спектр тормозного радиоактивного излучения непрерывный (сплошной). Этот спектр имеет чёткую границу со стороны коротких волн, так как энергия фотона радиоактивного излучения меньше энергии ускоренного электрона. Определить эту границу можно из условия перехода всей энергии электрона в энергию фотона (Q = 0).

Характеристики спектра можно получить двумя способами:

1. Изменить напряжение на трубке (между анодом и катодом)

2. Изменить температуру накала катода

Увеличение напряжения на трубке вызовет два эффекта: 1) увеличатся скорость и энергия электрона, следовательно, увеличится число квантов тормозного излучения, следовательно, произойдёт изменение спектральных свойств излучения в сторону увеличения жёсткости (коротковолновая граница сместится в область меньших длин волн). 2) увеличится число электронов из электронного облака вокруг катода, которые достигнут анода, следовательно, произойдёт возрастание потока энергии тормозного излучения.

Увеличение температуры накала катода вызовет увеличение эмиссии электронов, следовательно, увеличится поток излучения без изменения спектрального состава.

Характеристическое рентгеновское излучение: увеличение напряжения между катодом и анодом => электрон в поле трубки сильнее ускорится и приобретёт большую энергию => электрон преодолевает отталкивание поля атомарных электронов анода и проникает внутрь атома => внутри атома электрон выбивает новый электрон из внутреннего слоя. На место выбитого электрона обязательно переходит электрон из более удалённого от ядра слоя. Так как энергия внешних электронов больше, чем энергия внутренних электронов, то избыток энергии высвечивается в виде кванта электромагнитного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение всегда образуется при возникновении свободного места в одном из внутренних электронных слоёв атома.

Распределение электронных слоёв определено, следовательно, спектр характеристического излучения дискретный (линейный). Внутренние электронные слои атомов заполнены, а значит одинаковы у атомов разных элементов, следовательно, особенности характеристических рентгеновских спектров атомов сравнимы с относительными атомными спектрами.

Характеристические спектры различных элементов однотипны по форме и отличаются лишь положением на оси длины волн. С увеличением порядкового номер испускаемого электрона (в трубке – вещество анода) спектры сдвигаются в сторону меньших длин волн (в зону больших частот). Причина сдвига – усиление влияния ядра на электронные оболочки.

Закон Мозли:

, где А и В – постоянные, учитывающие взаимное расположение электронных слоёв и влияние ближних к ядру электронов.

Характеристический спектр элемента не зависит от того, в какие химические соединения он входит.

Дата добавления: 2014-01-04