Линейчатый (характеристический) рентгеновский спектр

Первое систематическое исследование линейчатых спектров элементов провел Г. Мозли в 1913 г. Он использовал спектрометр Брэгга вакуумного типа. Из каждого исследуемого элемента приготавливалась мишень рентгеновской трубки. Мозли обнаружил, что все исследуемые элементы дают спектры сходного вида (отсюда и часто используемое название спектров - характеристические спектры). Он разделил рентгеновские спектральные линии каждого элемента на две группы, или серии: на группу со сравнительно короткими длинами волн, /Г-серию, и на группу со сравнительно большими длинами волн, L-серию. Серии отделены одна от другой большим интервалом длин волн. Более тяжелые элементы с атомными номерами больше 66 дают также и другие рентгеновские спектральные серии, обозначаемые как М-, N-, 0-серии, с длинами волн, еще большими, чем у L-серии.

Поглощение рентгеновского излучения

Интенсивность рентгеновского излучения при прохождении через образец ослабляется за счет поглощения и рассеяния. Механизм поглощения рентгеновских лучей отличается от механизма оптического поглощения: поглощение энергии рентгеновского излучения происходит в результате единственного процесса - вырывания электронов внутренних оболочек за пределы атома, т. е. в результате ионизации атома за счет внутренних электронов. Энергия поглощаемого излучения превращается в кинетическую энергию выбитых электронов (фотоэлектронов) и потенциальную энергию возбужденного атома, которая равна энергии связи выбитого электрона.

На рисунке 16 представлен качественный вид спектра поглощения рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение наименьшей энергии (наибольшей длины волны) вырывает электроны с внешних оболочек. При возрастании энергии излучения всё меньшая ее часть необходима для выбивания электрона из данной

оболочки. Это сопровождается уменьшением поглощения. Монотонное уменьшение поглощения происходит до тех пор, пока энергия излучения не станет достаточной для того, чтобы вырвать электрон из следующей, более глубокой оболочки. Это вызывает резкое увеличение поглощения, соответствующее краю поглощения. Краем поглощения называется резкий скачок поглощения электромагнитного излучения, вызванный тем, что энергии квантов рентгеновского излучения становится достаточно для перевода электрона в возбужденное состояние. На рисунке 16 показаны скачки поглощения, вызванные выбиванием электронов из оболочек и подоболочек L и М и оболочки К.

Другое явление, вызывающее ослабление интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через вещество, - рассеяние. Рассеяние происходит в результате столкновения рентгеновского фотона (энергия фотона - hu) с электронами атома (с энергией Е эл).

Если энергия рентгеновских фотонов меньше энергии связи электронов (hu то фотоны не могут выбить электрон из данной внутренней оболочки. В результате упругого столкновения с закрепленными электронами фотоны лишь изменяют направление (рассеиваются); их энергия и соответственно длина волны остаются прежними. Рассеяние, при котором длина волны не изменяется, называется когерентным (томеоновским) раесеянием. Оно составляет основу рентгеновской дифракции, используемой в структурном анализе.

Если же энергия рентгеновских фотонов больше энергии связи электронов (hu > Е эл), то фотоны вырывают электрон из соответствующей внутренней оболочки, но при столкновении с электронами передают им часть своей энергии. В результате рассеивающиеся фотоны обладают меньшей энергией и большей длиной волны. Это рассеяние с изменением длины волны называется некогерентным (комптоновским) раеееянием. Поскольку выбивание электрона является первым условием возникновения всех рентгеновских и электронных спектров, именно некогерентиое рассеяние сопровождает их возникновение. Но так как в атоме имеются одновременно более и менее сильно связанные электроны (более глубокие и менее глубокие внутренние оболочки), то в спектре рассеянного излучения можно наблюдать две линии - с неизмененной и с измененной (увеличенной) длиной волны.

Интенсивность рассеяния увеличивается с атомным номером: чем больше в атоме электронов, тем большую интенсивность рассеяния они вызывают, т. е. рентгеновские лучи слабо рассеиваются легкими атомами и сильно - тяжелыми.

Количественная оценка уменьшения интенсивности рентгеновских лучей при прохождении через вещество производится с помощью коэффициента ослабления д, представляющего собой сумму коэффициента чистого (фотоэлектрического) поглощения т и коэффициента рассеяния а. Часто коэффициент ослабления называют коэффициентом поглощения, имея в виду его двухчленное содержание. При длинах волн более 0,5 А и для элементов с Z > 26 ослабление практически полностью обусловливается поглощением

Линейный коэффициент ослабления (поглощения) /ц, измеряемый в см -1 , может быть определен из закона Вера:

устанавливающего экспоненциальную зависимость уменьшения интенсивности любого излучения от толщины образца. Линейный коэффициент поглощения вычисляется логарифмированием (29):

Линейный коэффициент ослабления (30) используется для оценки прозрачности или непрозрачности образца при данной толщине образца и для данного излучения. Поскольку коэффициент д/ зависит от состояния вещества (твердого, жидкого, газообразного), он не является константой, характеризующей поглощение данного элемента. Его величина зависит от атомного номера поглощающего вещества и длины волны рентгеновского излучения.

Чаще пользуются массовым коэффициентом ослабления (поглощения)

где р - плотность (г/см 3), т. е. д имеет размерность см 2 /г. Введение массовых коэффициентов оказывается удобным, так как их характерной особенностью является независимость от агрегатного состояния вещества. Так, д имеет одинаковое значение для воды, водяного пара и льда. Кроме того, отпадает необходимость в определении коэффициентов ослабления для всего множества различных веществ. Это возможно потому, что поглощение и рассеяние осуществляются в основном внутренними электронами атомов, состояние которых не зависит от того, в состав какого вещества входит атом того или иного элемента. По этой причине в справочных таблицах обычно приводятся значения массовых коэффициентов ослабления ц для атомов различных элементов и для различных длин волн рентгеновских лучей. Например, массовый коэффициент поглощения алюминия в излучении SrК а (Л = 0, 876 А) обозначается как До,876 или /ЩгК а. Таблицы значений д для важнейших К а1 ~, Kg-, L a - и других линий излучения элементов опубликованы.

Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения .

Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке быстрыми электронами металлической мишени – анода (антикатод ). Из опытов Баркла это излучение поперечно поляризовано. Опыты Брэгга, Лауэ, Фридриха, Книппинга, а также Дебая и Шерера показали, что рентгеновское излучение, так же как свет, имеет электромагнитное происхождение. Однако рентгеновское излучение характеризуется гораздо меньшими длинами волн. Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма и ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн от до см. Источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки,

Солнце и другие космические объекты. Два типа рентгеновского излучения: тормозное ихарактеристическое .

Тормозное излучение возникает вследствие замедления электронов в мишени и не зависит от вещества мишени. Спектр тормозного излучения сплошной. С увеличением длины волны интенсивность тормозного излучения после максимума монотонно ослабевает. Со стороны коротких длин волн интенсивность резко обрывается – коротковолновая граница (квантовый предел )тормозного излучения. Энергия кванта излучения будет максимальной, если вся энергия тормозящегося в мишени электрона eV тратится на излучение:

. (3.48)

С увеличением ускоряющего напряжения на фоне сплошного спектра, начиная с некоторого критического значения, возникают резкие максимумы. Их положение зависит от вещества мишени. Эти максимумы связывают с характеристическим рентгеновским излучением. Оно имеет дискретный спектр. Характеристическое излучение также группируется в спектральные серии.Их обозначение: К– серия, L– серия, М– серия и т.д. Свойства характеристического изл:

I. Характеристическое излучение имеет небольшое число линий;

II. Наблюдается монотонное смещение в коротковолновую часть спектра;

III. Характеристическое излучение является чисто атомным свойством вещества.

IV. Отсутствует обращение спектральных линий. Если пропускать сплошное рентгеновское излучение через вещество, то наблюдаются полосы поглощения.

По интерпретации Косселя (1917) характеристическое излучение происходит в два этапа:

1) бомбардирующий мишень электрон выбивает из атома электрон с какой-то внутренней оболочки. В оболочке образуется «дырка»;

2) электроны атома с верхних уровней переходят на уровень с «дыркой». Избыток энергии при этом освобождается в виде рентгеновского излучения - возникают K– , L– , M– , N– серии.

К– серия самая коротковолновая: . Все линии имеют тонкую структуру. Линии К– серии являются дублеты: .

С увеличением энергии электронов, сталкивающихся с

мишенью, появляются линии длинноволновых серий, и в последнюю очередь возникают линии К– серии. Наименьшее значение ускоряющей разности потенциалов, при котором в характеристическом спектре появляются линии некоторой серии - критический потенциал возбуждения .М– серия имеет 5 критических потенциалов возбуждения, L– серия – 3, К– серия – 1 . Потенциал возбуждения К– серии - потенциал ионизации атома. Если возбуждается К– серия, то одновременно возникают все остальные серии данного элемента.

Мозли - частота линий рентгеновского излучения определяется формулой бальмеровского типа. В частности, частота линии равна: . (3.49)

Z – 1 эффективный заряд ядра, который экранирован одним из электронов К– слоя.

для линии , где a – постоянная экранирования. Закон Мозли (рис.3.20): ,

– постоянные.

При прохождении слоя вещества толщиной х интенсивность параллельного пучка рентгеновского излучения ослабляется по закону: , (3.50)

k – коэффициент ослабления . Ослабление излучения происходит из-за рассеяния ,; из-за поглощения (абсорбции ) , , (3.50а)

– коэффициент истинного поглощения, – коэффициент рассеяния рентгеновских лучей.

Часто пользуются массовыми коэффициентами: (3.50б)

– плотность вещества.

Используются также атомные коэффициенты:

, (3.50в)

Рассеяние излучения вызывается неоднородностями cреды и флуктуациями ее плотности. В случае мягкого рентгеновского излучения , когда его длина волны велика, атом рассеивает как целое падающее излучение. Рассеяние когерентно - падающее и рассеянное излучения характеризуются одной и той же частотой. Это – томсоновское рассеяние , сечение которого определяется классическим радиусом электрона.

В случае жесткого рентгеновского излучения рассеяниестановится некогерентным .Эксперименты Комптона показали, что наряду со смещенной линией рассеяния наблюдается несмещенная линия. Ее возникновение связано с когерентным рассеянием излучения атомом как целого.

Спектр поглощения рентгеновского излучения составляют полосы. Поглощение рентгеновского излучения не зависит от оптических свойств вещества. В пределах полосы поглощения коэффициент поглощения рентгеновских фотонов с энергией от до эВ монотонно убывает в соответствии с приближенной формулой

, (3.53) – эмпирическая постоянная. «Зазубренность» краев полосы: каждая серия, кроме К–серии, имеет несколько критических потенциалов. По значениям этих краев находят энергию связи электронов в слоях и оболочках атомов.

Поглощение рентгеновского излучения может сопровождаться как ионизацией атомов,так и испусканием излучения более низкой частоты. Поэтому коротковолновое излучение обладает большой проникающей способностью (жесткое излучение).Мягкое рентгеновское излучение очень сильно поглощается почти всеми веществами.

В 1925 г. Оже изучал процесс возникновения электронов при поглощении жесткого рентгеновского излучения атомами криптона. Оже обнаружил, что иногда из одной точки выходят следы двух, а не одного электрона. Это Оже–эффект. Механизм возникновения второго, Оже–электрона: Воздействие кванта жесткого рентгеновского излучения на атом приводит к выбросу из него электрона из К-слоя, в котором образуется «дырка». Атом становится ионизованным и сильно возбужденным. Освобождение его энергии в виде рентгеновского излучения не единственный механизм. Энергия возбуждения атома столь высока, что возможен вылет из него второго электрона с L–слоя, причем без излучения кванта . Энергия Оже–электрона еV определяется законом сохранения энергии:

, (3.54)

– энергия фотона, который мог бы излучиться, –энергия ионизации L–электрона. В атоме происходит внутреннее перераспределение энергии, называемое внутренней конверсией, приводящее к выбросу из него Оже–электрона. Атом становится двукратно ионизованным. Оже–эффект рассматривается как проявление общего процесса автоионизации возбужденного атома. Особенно сильно этот эффект проявляется в случае запрещенных электромагнитных переходов.

Рентгеновское излучение (синоним рентгеновские лучи) - это с широким диапазоном длин волн (от 8·10 -6 до 10 -12 см). Рентгеновское излучение возникает при торможении заряженных частиц, чаще всего электронов, в электрическом поле атомов вещества. Образующиеся при этом кванты имеют различную энергию и образуют непрерывный спектр. Максимальная энергия квантов в таком спектре равна энергии налетающих электронов. В (см.) максимальная энергия квантов рентгеновского излучения, выраженная в килоэлектрон-вольтах, численно равна величине приложенного к трубке напряжения, выраженного в киловольтах. При прохождении через вещество рентгеновское излучение взаимодействует с электронами его атомов. Для квантов рентгеновского излучения с энергией до 100 кэв наиболее характерным видом взаимодействия является фотоэффект. В результате такого взаимодействия энергия кванта полностью расходуется на вырывание электрона из атомной оболочки и сообщения ему кинетической энергии. С ростом энергии кванта рентгеновского излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и преобладающим становится процесс рассеяния квантов на свободных электронах - так называемый комптон-эффект. В результате такого взаимодействия также образуется вторичный электрон и, кроме того, вылетает квант с энергией меньшей, чем энергия первичного кванта. Если энергия кванта рентгеновского излучения превышает один мегаэлектрон-вольт, может иметь место так называемый эффект образования пар, при котором образуются электрон и позитрон (см. ). Следовательно, при прохождении через вещество происходит уменьшение энергии рентгеновского излучения, т. е. уменьшение его интенсивности. Поскольку при этом с большей вероятностью происходит поглощение квантов низкой энергии, то имеет место обогащение рентгеновского излучения квантами более высокой энергии. Это свойство рентгеновского излучения используют для увеличения средней энергии квантов, т. е. для увеличения его жесткости. Достигается увеличение жесткости рентгеновского излучения использованием специальных фильтров (см. ). Рентгеновское излучение применяют для рентгенодиагностики (см. ) и (см.). См. также Излучения ионизирующие.

Рентгеновское излучение (синоним: рентгеновские лучи, рентгеновы лучи) - квантовое электромагнитное излучение с длиной волны от 250 до 0,025 А (или квантов анергии от 5·10 -2 до 5·10 2 кэв). В 1895 г. открыто В. К. Рентгеном. Смежную с рентгеновским излучением спектральную область электромагнитного излучения, кванты энергии которого превышают 500 кэв, называют гамма-излучением (см.); излучение, кванты энергии которого ниже значений 0,05 кэв, составляет ультрафиолетовое излучение (см.).

Таким образом, представляя относительно небольшую часть обширного спектра электромагнитных излучений, в который входят и радиоволны и видимый свет, рентгеновское излучение, как всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света (в пустоте около 300 тыс. км/сек) и характеризуется длиной волны λ (расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания). Рентгеновское излучение обладает также рядом других волновых свойств (преломление, интерференция, дифракция), однако наблюдать их значительно сложнее, чем у более длинноволнового излучения: видимого света, радиоволн.

Спектры рентгеновского излучения: а1 - сплошной тормозной спектр при 310 кв; а - сплошной тормозной спектр при 250 кв, а1 - спектр, фильтрованный 1 мм Cu, а2 - спектр, фильтрованный 2 мм Cu, б - К-серия линии вольфрама.

Для генерирования рентгеновского излучения применяют рентгеновские трубки (см.), в которых излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с атомами вещества анода. Различают рентгеновские излучения двух видов: тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение, имеющее сплошной спектр, подобно обычному белому свету. Распределение интенсивности в зависимости от длины волны (рис.) представляется кривой с максимумом; в сторону длинных волн кривая спадает полого, а в сторону коротких - круто и обрывается при определенной длине волны (λ0), называемой коротковолновой границей сплошного спектра. Величина λ0 обратно пропорциональна напряжению на трубке. Тормозное излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с ядрами атомов. Интенсивность тормозного излучения прямо пропорциональна силе анодного тока, квадрату напряжения на трубке и атомному номеру (Z) вещества анода.

Если энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов превосходит критическую для вещества анода величину (эта энергия определяется критическим для этого вещества напряжением на трубке Vкр), то возникает характеристическое излучение. Характеристический спектр - линейчатый, его спектральные линии образуют серии, обозначаемые буквами К, L, М, N.

Серия К - самая коротковолновая, серия L - более длинноволновая, серии М и N наблюдаются только у тяжелых элементов (Vкр вольфрама для К-серии - 69,3 кв, для L-серии - 12,1 кв). Характеристическое излучение возникает следующим образом. Быстрые электроны выбивают атомные электроны из внутренних оболочек. Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних, менее связанных оболочек заполняют освободившиеся во внутренних оболочках места, и излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергий атома в возбужденном и основном состоянии. Эта разность (а следовательно, и энергия фотона) имеет определенное значение, характерное для каждого элемента. Это явление лежит в основе рентгеноспектрального анализа элементов. На рисунке виден линейчатый спектр вольфрама на фоне сплошного спектра тормозного излучения.

Энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов преобразуется почти целиком в тепловую (анод при этом сильно нагревается), лишь незначительная часть (около 1% при напряжении, близком к 100 кв) превращается в энергию тормозного излучения.

Применение рентгеновского излучения в медицине основано на законах поглощения рентгеновых лучей веществом. Поглощение рентгеновского излучения совершенно не зависит от оптических свойств вещества поглотителя. Бесцветное и прозрачное свинцовое стекло, используемое для защиты персонала рентгеновских кабинетов, практически полностью поглощает рентгеновское излучение. Напротив, лист бумаги, не прозрачный для света, не ослабляет рентгеновского излучения.

Интенсивность однородного (т. е. определенной длины волны) пучка рентгеновского излучения при прохождении через слой поглотителя уменьшается по экспоненциальному закону (е-х), где е - основание натуральных логарифмов (2,718), а показатель экспоненты х равен произведению массового коэффициента ослабления (μ/р) см 2 /г на толщину поглотителя в г/см 2 (здесь р - плотность вещества в г/см 3). Ослабление рентгеновского излучения происходит как за счет рассеяния, так и за счет поглощения. Соответственно массовый коэффициент ослабления является суммой массовых коэффициентов поглощения и рассеяния. Массовый коэффициент поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера (Z) поглотителя (пропорционально Z3 или Z5) и с увеличением длины волны (пропорционально λ3). Указанная зависимость от длины волны наблюдается в пределах полос поглощения, на границах которых коэффициент обнаруживает скачки.

Массовый коэффициент рассеяния возрастает с увеличением атомного номера вещества. При λ≥0,ЗÅ коэффициент рассеяния от длины волны не зависит, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Уменьшение коэффициентов поглощения и рассеяния с уменьшением длины волны обусловливает возрастание проникающей способности рентгеновского излучения. Массовый коэффициент поглощения для костей [поглощение в основном обусловлено Са 3 (РO 4) 2 ] почти в 70 раз больше, чем для мягких тканей, где поглощение в основном обусловлено водой. Это объясняет, почему на рентгенограммах так резко выделяется тень костей на фоне мягких тканей.

Распространение неоднородного пучка рентгеновского излучения через любую среду наряду с уменьшением интенсивности сопровождается изменением спектрального состава, изменением качества излучения: длинноволновая часть спектра поглощается в большей степени, чем коротковолновая, излучение становится более однородным. Отфильтровывание длинноволновой части спектра позволяет при рентгенотерапии очагов, глубоко расположенных в теле человека, улучшить соотношение между глубинной и поверхностной дозами (см. Рентгеновские фильтры). Для характеристики качества неоднородного пучка рентгеновых лучей используется понятие «слой половинного ослабления (Л)» - слой вещества, ослабляющий излучение наполовину. Толщина этого слоя зависит от напряжения на трубке, толщины и материала фильтра. Для измерения слоев половинного ослабления используют целлофан (до энергии 12 кэв), алюминий (20-100 кэв), медь (60-300 кэв), свинец и медь (>300 кэв). Для рентгеновых лучей, генерируемых при напряжениях 80-120 кв, 1 мм меди по фильтрующей способности эквивалентен 26 мм алюминия, 1 мм свинца - 50,9 мм алюминия.

Поглощение и рассеяние рентгеновского излучения обусловлено его корпускулярными свойствами; рентгеновское излучение взаимодействует с атомами как поток корпускул (частиц) - фотонов, каждый из которых имеет определенную энергию (обратно пропорциональную длине волны рентгеновского излучения). Интервал энергий рентгеновских фотонов 0,05-500 кэв.

Поглощение рентгеновского излучения обусловлено фотоэлектрическим эффектом: поглощение фотона электронной оболочкой сопровождается вырыванием электрона. Атом возбуждается и, возвращаясь в основное состояние, испускает характеристическое излучение. Вылетающий фотоэлектрон уносит всю энергию фотона (за вычетом энергии связи электрона в атоме).

Рассеяние рентгеновского излучения обусловлено электронами рассеивающей среды. Различают классическое рассеяние (длина волны излучения не меняется, но меняется направление распространения) и рассеяние с изменением длины волны - комптон-эффект (длина волны рассеянного излучения больше, чем падающего). В последнем случае фотон ведет себя как движущийся шарик, а рассеяние фотонов происходит, по образному выражению Комнтона, наподобие игры на бильярде фотонами и электронами: сталкиваясь с электроном, фотон передает ему часть своей энергии и рассеивается, обладая уже меньшей энергией (соответственно длина волны рассеянного излучения увеличивается), электрон вылетает из атома с энергией отдачи (эти электроны называют комптон-электронами, или электронами отдачи). Поглощение энергии рентгеновского излучения происходит при образовании вторичных электронов (комптон - и фотоэлектронов) и передаче им энергии. Энергия рентгеновского излучения, переданная единице массы вещества, определяет поглощенную дозу рентгеновского излучения. Единица этой дозы 1 рад соответствует 100 эрг/г. За счет поглощенной энергии в веществе поглотителя протекает ряд вторичных процессов, имеющих важное значение для дозиметрии рентгеновского излучения, так как именно на них основываются методы измерения рентгеновского излучения. (см. Дозиметрия).

Все газы и многие жидкости, полупроводники и диэлектрики под действием рентгеновского излучения увеличивают электрическую проводимость. Проводимость обнаруживают лучшие изоляционные материалы: парафин, слюда, резина, янтарь. Изменение проводимости обусловлено ионизацией среды, т. е. разделением нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (ионизацию производят вторичные электроны). Ионизация в воздухе используется для определения экспозиционной дозы рентгеновского излучения (дозы в воздухе), которая измеряется в рентгенах (см. Дозы ионизирующих излучений). При дозе в 1 р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад.

Под действием рентгеновского излучения в результате возбуждения молекул вещества (и при рекомбинации ионов) возбуждается во многих случаях видимое свечение вещества. При больших интенсивностях рентгеновского излучения наблюдается видимое свечение воздуха, бумаги, парафина и т. п. (исключение составляют металлы). Наибольший выход видимого свечения дают такие кристаллические люминофоры, как Zn·CdS·Ag-фосфор и другие, применяемые для экранов при рентгеноскопии.

Под действием рентгеновского излучения в веществе могут проходить также различные химические процессы: разложение галоидных соединений серебра (фотографический эффект, используемый при рентгенографии), разложение воды и водных растворов перекиси водорода, изменение свойств целлулоида (помутнение и выделение камфоры), парафина (помутнение и отбелка).

В результате полного преобразования вся поглощенная химически инертным веществом энергия рентгеновское излучение превращается в теплоту. Измерение очень малых количеств теплоты требует высокочувствительных методов, зато является основным способом абсолютных измерений рентгеновского излучения.

Вторичные биологические эффекты от воздействия рентгеновского излучения являются основой медицинской рентгенотерапии (см.). Рентгеновские излучения, кванты которых составляют 6-16 кэв (эффективные длины волн от 2 до 5 Å), практически полностью поглощаются кожным покровом ткани человеческого тела; они называются пограничными лучами, или иногда лучами Букки (см. Букки лучи). Для глубокой рентгенотерапии применяется жесткое фильтрованное излучение с эффективными квантами энергии от 100 до 300 кэв.

Биологическое действие рентгеновского излучения должно учитываться не только при рентгенотерапии, но и при рентгенодиагностике, а также во всех других случаях контакта с рентгеновским излучением, требующих применения противолучевой защиты (см.).

Помимо непосредственного возбуждения атомов определяемого элемента первичным рентгеновским излучением, может наблюдаться ряд других эффектов, нарушающих линейную зависимость интенсивности характеристической линии от концентрации элемента. Интенсивность зависит не только от содержания в образце анализируемых атомов, но и от процессов поглощения и рассеяния этого вещества, которые вместе взятые дают так называемое ослабление.

ОСЛАБЛЕНИЕ

Если направленный пучок рентгеновского излучения проходит через слой вещества толщиной D и плотностью с, то его интенсивность уменьшается по экспоненциальному закону:

I = I0e-µD

где µ - коэффициент ослабления, который является параметром материала и зависит, кроме того, от длины волны рентгеновского излучения. Коэффициент µ пропорционален с и быстро возрастает с увеличением порядкового номера элемента и длины волны рентгеновского излучения. Отношение µ/с называется массовым коэффициентом ослабления. См. рис.2

Как говорилось ранее, ослабление складывается из двух физических процессов - поглощение и рассеяние, т.е. коэффициент ослабления равен:

где ф - коэффициент поглощения; у - коэффициент рассеяния.

Главным является то, что доля ф возрастает с увеличением Z и л, и что эта составляющая доминирует над у в области длин волн, типичной для рентгенофлуоресцентного анализа (за исключением самых легких элементов, таких как углерод). Поэтому в практике рентгенофлуоресцентного анализа ослабление идентично поглощению.

ПОГЛОЩЕНИЕ

Поглощение происходит в том случае, когда кванты внешнего излучения, падающие на материал, выбивают электроны из атомной оболочки.

При этом энергия квантов излучения расходуется, с одной стороны, на вырывание (работу выхода) электронов из атомов и, с другой стороны, на сообщение им кинетической энергии.

Введенный ранее коэффициент ф является функцией длины волны излучения. На рис.3 в качестве примера приведена зависимость массового коэффициента поглощения ф от л, или так называемый спектр поглощения.

Ход кривой не плавный. На спектре имеются скачки, называемые краями поглощения, которые возникают из-за квантового характера поглощения, и говорят, что спектр поглощения имеет линейчатую форму.

Краем поглощения называется индивидуальная характеристика атомов, соответствующая значению энергии, при которой происходит скачкообразное изменение коэффициента поглощения. Такая особенность поглощения имеет простое физическое объяснение. При энергиях квантов, превышающих энергию связи электронов на K - оболочке, сечение поглощения для электронов на L - оболочке имеет величину по крайней мере на порядок меньшую, чем для K - оболочки.

По мере уменьшения энергии рентгеновских квантов и приближении ее к энергии отрыва электрона с K - оболочки поглощение растет в соответствии с формулой, где коэффициент C задается для K - оболочки.

фм = CNZ4лn/A

где N - число Авогадро, Z - атомный номер поглощающего элемента, A - его атомный вес, л - длина волны, n - показатель степени, принимающий значения между 2,5 и 3,0, а C - постоянная, скачкообразно уменьшающаяся при переходе через край поглощения.

При уменьшении энергии рентгеновских квантов ниже энергии связи электрона на K - оболочке (~ 20 кэВ), происходит скачкообразное уменьшение поглощения. т. к. рентгеновское излучение с меньшей энергией может взаимодействовать только с электронами на L- и M- оболочках. В процессе дальнейшего уменьшения энергии поглощение вновь возрастает в соответствии с формулой, в которой коэффициент С задается уже для L- оболочки. Этот рост продолжается вплоть до скачков, соответствующих энергиям связи электронов на L- оболочках. Далее этот процесс происходит для электронов на M- оболочках и т.д.

РАССЕЯНИЕ

Явление, когда рентгеновский луч при взаимодействии с веществом изменяет направление, называется рассеянием. Если рассеянное излучение имеет ту же длину волны, что и первичное, то процесс называется упругим или рэлеевским рассеянием. Упругое рассеяние происходит на связанных электронах, его используют для установления кристаллической структуры вещества с помощью методов рентгеновской дифракции. Если длина волны рассеянного излучения больше длины волны первичного излучения, то процесс называют неупругим или комптоновским рассеянием. Неупругое рассеяние является результатом взаимодействия рентгеновского излучения со слабо связанными внешними электронами.

Хотя рассеяние мало по сравнению с поглощением, оно происходит во всех случаях, в том числе и при рентгенофлуоресцентном анализе. Вместе с возникающим при флуоресцентном возбуждении характеристическим рентгеновским излучением рассеянное излучение образует поле вторичного излучения, которые и фиксирует спектрометр. Однако при рентгенофлуоресцентном анализе используется главным образом характеристическое флуоресцентное излучение, рассеянное чаще всего является помехой, образующей фон, блики в спектре. Рассеянное излучение желательно иметь на возможно более низком уровне.

Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения .

Рентгеновское излучение (Х–лучи , Рентген, 1895) возникает при бомбардировке быстрыми электронами металлической мишени – анода (антикатод )(рис. 3.16). В технических рентгеновских трубках ускоряющее напряжение между катодом и анодом около 100 кВ. Из опытов Баркла (1905) по двойному рассеянию рентгеновского излучения следовало, что это излучение поперечно поляризовано. Опыты Брэгга, Лауэ, Фридриха, Книппинга, а также Дебая и Шерера по дифракции рентгеновского излучения в кристаллах показали, что рентгеновское излучение, так же как свет, имеет электромагнитное происхождение. Однако рентгеновское излучение характеризуется гораздо меньшими длинами волн. Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма и ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн от до см.

Рис.3.16 Источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки,

некоторые радиоактивные изотопы, ускорители заряженных частиц, лазеры рентгеновского диапазона, Солнце и другие космические объекты.

Два типа рентгеновского излучения: тормозное ихарактеристическое .

Тормозное излучение (рис. 3.17) возникает вследствие замедления электронов в мишени и не зависит от вещества мишени. Спектр тормозного излучения сплошной, потому что переменный ток, связанный с тормозящимся электроном, изменяется монотонно, а не периодически. С увеличением длины волны интенсивность тормозного излучения после максимума монотонно ослабевает. Со стороны коротких длин волн интенсивность резко обрывается – коротковолновая граница (квантовый предел )тормозного излучения. По корпускулярным представлениям энергия кванта излучения будет максимальной, если вся энергия тормозящегося в мишени электрона eV тратится на излучение:

. (3.48)

Определение коротковолновой границы в эксперименте позволяет найти по формуле (3.48) очень точное значение комбинации постоянных hc/e .

С увеличением ускоряющего напряжения на фоне сплошного спектра, начиная с некоторого критического значения, возникают резкие максимумы. Их положение зависит от вещества мишени (рис. 3.17б). Эти максимумы связывают с характеристическим рентгеновским излучением. Оно имеет линейчатый, дискретный спектр. В этом оно аналогично оптическому излучению атомов. Характеристическое излучение также группируется в спектральные серии (рис.3.18). Их обозначение: К– серия, L– серия, М– серия и т.д. (Баркла, 1911). Однако свойства характеристического излучения существенно отличаются от свойств оптического излучения:

I. Характеристическое излучение имеет небольшое число линий;

II. Отсутствует периодичность в рентгеновских спектрах при последовательном прохождении периодической системы. Наблюдается монотонное смещение в коротковолновую часть спектра;

III. Характеристическое излучение является чисто атомным свойством вещества. Оно не зависит от того, находится ли

Рис.3.18 вещество в чистом виде или в каком-либо химическом

соединении. Это позволяет проводить анализ состава сложных химических соединений;

IV. Отсутствует обращение спектральных линий. В оптическом диапазоне спектры испускания и спектры поглощения данного атома взаимно обращаемы. Они характеризуются одними и теми же длинами волн. При этом спектры поглощения получаются при пропускании сплошного света сквозь холодные пары атомов. Если пропускать сплошное рентгеновское излучение через вещество, то наблюдаются не линии характеристического излучения, а полосы поглощения.

Механизм возникновения характеристического излучения связан не с периферийными электронами атома, как в случае оптического излучения, а с его внутренними электронами. По интерпретации Косселя (1917) характеристическое излучение происходит в два этапа:

1) бомбардирующий мишень электрон выбивает из атома электрон с какой-то внутренней оболочки. В результате этого атом становится возбужденным, а в оболочке образуется «дырка»;

2) электроны атома с верхних уровней переходят на уровень с «дыркой». Избыток энергии при этом освобождается в виде рентгеновского излучения - возникают K– , L– , M– , N– серии (рис.3.19).

Отдельные линии каждой спектральной серии обозначаются в порядке уменьшения длины волны: . К– серия самая коротковолновая: . Все линии имеют тонкую структуру. Линии К– серии являются дублеты: .

С увеличением энергии электронов, сталкивающихся с

Рис.3.19 мишенью, появляются линии длинноволновых серий,

и в последнюю очередь возникают линии К– серии. Наименьшее значение ускоряющей разности потенциалов, при котором в характеристическом спектре появляются линии некоторой серии - критический потенциал возбуждения этой серии для данного элемента. М– серия имеет 5 критических потенциалов возбуждения, L– серия – 3, К– серия – 1 (рис. 3.19). Потенциал возбуждения К– серии - потенциал ионизации атома. Если возбуждается К– серия, то одновременно возникают все остальные серии данного элемента.

Рентгеновские спектры атомов дают возможность точного определения заряда ядра (порядкового номера элемента в периодической системе Менделеева). Это показал Мозли (1913): частота линий рентгеновского излучения определяется формулой бальмеровского типа. В частности, частота линии равна:

. (3.49)

Z – 1 эффективный заряд ядра, который экранирован одним из электронов К– слоя. Аналогичная приближенная формула получена для линии , при этом эффективный заряд ядра определяется как Z – a , где a – постоянная экранирования. Закон Мозли (рис.3.20):

– постоянные.

При прохождении слоя вещества толщиной х интенсивность параллельного пучка рентгеновского излучения ослабляется по закону:

k – коэффициент ослабления . Ослабление излучения происходит по двум причинам: из-за рассеяния , в результате которого часть лучей изменяет свое первоначальное направление; из-за поглощения (абсорбции ) , в результате которого часть энергии излучения в конце концов переходит в тепло:

– коэффициент истинного поглощения, – коэффициент рассеяния рентгеновских лучей.

Часто пользуются массовыми коэффициентами:

, (3.50б)

– плотность вещества.

Используются также атомные коэффициенты:

, (3.50в)

– масса атома, А – масса моля вещества, – число Авогадро.

Рассеяние излучения вызывается неоднородностями cреды и флуктуациями ее плотности. В рентгеновском диапазоне неоднородности - атомы и электроны в атомах. В случае мягкого рентгеновского излучения , когда его длина волны достаточно велика и превосходит размеры атома, атом рассеивает как целое падающее излучение. Рассеяние когерентно - падающее и рассеянное излучения характеризуются одной и той же частотой (длиной волны). Это – томсоновское рассеяние , сечение которого определяется классическим радиусом электрона.

В случае жесткого рентгеновского излучения (энергия более 10 кэВ)рассеяниестановится некогерентным (Комптон, 1923). Схема установки Комптона (рис.3.21). Источник рентгеновского излучения трубка Т с молибденовым антикатодом. С помощью диафрагм и фильтров выделялось излучение с длиной волны 0,71 (линия ), которое падало на

Рис.3.21 образец R (из графита). Анализ рассеянного излучения проводился

с помощью дифракционного спектрометра (кристалл К и фотопластинка Р ). Эксперименты Комптона показали, что наряду со смещенной линией рассеяния наблюдается несмещенная линия (рис.3.22). Ее возникновение связано с когерентным рассеянием излучения атомом как целого. При этом, чем более жестким является рентгеновское излучение, т.е. чем больше энергия рентгеновского кванта по сравнению с энергией связи электрона в атоме, тем более справедливо приближение свободного электрона, и тем меньше роль когерентного рассеяния рентгеновского излучения данным веществом. Однако Комптон–эффект играет преобладающую роль при энергии фотонов до 1 МэВ. При больших энергиях более существенным становится другой процесс - рождение пар. Это процесс превращения фотона в пару электрон–позитрон.

Спектр поглощения рентгеновского излучения составляют полосы. Этим он отличается от оптических спектров поглощения, которые состоят из отдельных линий. Поглощение рентгеновского излучения не зависит от оптических свойств вещества. Например, свинцовое стекло толщиной в несколько миллиметров прозрачно для света, но практически полностью поглощает рентгеновское излучение; алюминиевый листок совершенно не прозрачен для света, но не поглощает рентгеновские лучи. В пределах полосы поглощения коэффициент поглощения рентгеновских фотонов с энергией от до эВ монотонно убывает в соответствии с приближенной формулой (рис.3.23):

Рис.3.22 – эмпирическая постоянная. Резкие скачки - края полос поглощения. Они

соответствуют энергии, достаточной для выбивания электронов с М–, L–, K–слоев (критические потенциалы возбуждения М–, L–, K– серий). «Зазубренность» краев полосы: каждая серия, кроме К–серии, имеет несколько критических потенциалов. По значениям этих краев находят энергию связи электронов в слоях и оболочках атомов.

Поглощение рентгеновского излучения может сопровождаться как ионизацией атомов (и появлением фотоэлектронов), так и испусканием излучения более низкой частоты (флуоресценцией). Согласно (3.53) с увеличением энергии фотонов (уменьшением длины волны) поглощение рентгеновского излучения ослабевает. Поэтому коротковолновое излучение обладает большой проникающей способностью (жесткое излучение).Мягкое рентгеновское излучение очень сильно поглощается почти всеми веществами.

Сильная зависимость коэффициента поглощения от частоты

Рис.3.23 используется для изготовления фильтров, отсекающих мягкую

часть спектра. Поглощение рентгеновского излучения - чисто атомное свойство вещества: молекулярный коэффициент поглощения аддитивно складывается из атомных коэффициентов поглощения элементов, входящих в состав данного вещества.

В 1925 г. Оже изучал процесс возникновения электронов при поглощении жесткого рентгеновского излучения атомами криптона. Фотографируя треки возникающих фотоэлектронов в камере Вильсона, Оже обнаружил, что иногда из одной точки выходят следы двух, а не одного электрона. Это Оже–эффект. Механизм возникновения второго, Оже–электрона: Воздействие кванта жесткого рентгеновского излучения на атом приводит к выбросу из него электрона из К-слоя, в котором образуется «дырка». Атом становится ионизованным и сильно возбужденным. Освобождение его энергии в виде рентгеновского излучения не единственный механизм. Энергия возбуждения атома столь высока, что возможен вылет из него второго электрона с L–слоя, причем без излучения кванта . Энергия Оже–электрона еV определяется законом сохранения энергии:

, (3.54)

– энергия фотона, который мог бы излучиться, –энергия ионизации L–электрона. В атоме происходит внутреннее перераспределение энергии, называемое внутренней конверсией, приводящее к выбросу из него Оже–электрона. Атом становится двукратно ионизованным. Оже–эффект рассматривается как проявление общего процесса автоионизации возбужденного атома, который происходит в результате внутренней конверсии. Особенно сильно этот эффект проявляется в случае запрещенных электромагнитных переходов, например, в 0–0 переходах.

Рентгеновское излучение широко используется в самых различных областях науки и техники: в исследованиях электронной структуры атомов, молекул и твердых тел, в медицине, минералогии, материаловедении и т.п. Разработаны разнообразные методы исследований: рентгеновская микроскопия, рентгеновская спектроскопия, рентгеновская топография, созданы многочисленные приборы, в том числе для исследований космических объектов (рентгеновский телескоп), а для исследования биологических объектов - безлинзовый жесткий рентгеновский микроскоп.

.Лекция 22. Эффект Зеемана. Эффект Пашена–Бака.