16.Ренгеновское излучение .Ренгеновская трубка

В.Рентген обнаружил, что при электрическом разряде в вакуумной трубке возникает невиди¬мое для глаз излучение, обладающее высокой проникающей способностью. Излучение вначале было названо Х-лучами, а за¬тем получило название рентгеновского. Оно занимает диапазон длин волн от 2∙10-9 до 6∙10-12м. Рентгеновские лучи вызывают флуоресценцию некоторых веществ, ионизацию газов, оказы¬вают фотохимическое и биологическое воздействие на тела. Для наблюдения дифракции рентгеновских лучей необходима ди-фракционная решетка того же порядка d, что и длина волны. Из¬готовить решетку такого малого порядка невозможно, однако можно воспользоваться для этой цели кристаллами, которые со-стоят из упорядоченно расположенных ионов, атомов или моле-кул на расстоянии порядка 10-10м друг от друга. Такие дифрак-ционные решетки называются пространственными или трех-мерными.

Идея применить монокристалл для изучения дифракции рентгеновских лучей принадлежит немецкому физику М.Лауэ (1912 г.). Развивая его идеи, в 1913 г. русский физик Г.В.Вульф и английский физик У.Л.Брэгг независимо друг от друга пред-ложили простой метод наблюдения и расчета дифракционной картины. Они рассматривали дифракцию рентгеновских лучей, отражающихся от атомов кристаллографических плоскостей. Поскольку рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, отраженная их часть составляет ничтожную долю лучей, прошедших в кристалл. Однако при условии ин¬терференционного максимума лучей, отраженных от разных плоскостей кристалла, можно добиться их значительного усиле¬ния.

Разобьем кри¬сталл на ряд парал¬лельных плоскостей, про-ходящих через узлы кристаллической решетки и отстоящих друг от друга на рас¬стояние d (рис. 3.8).

Пусть на кристалл па¬дает плоская монохроматическая волна рентгеновского излуче¬ния под углом скольжения θ (угол между направлением падаю¬щего луча и кристаллографической плоскостью). Рассмотрим лучи 1’ и 2’, отразившиеся от атомов А и В двух параллельных плоскостей I и II соответственно. Абсолютный показатель пре-ломления любых сред для рентгеновских лучей близок к еди-нице, поэтому отраженные лучи 1’ и 2’ по закону отражения выйдут из кристалла под тем же углом θ к плоскостям I и II. Лучи 1’ и 2’ когерентны и будут интерферировать между собой, подобно лучам, идущим от соседних щелей дифракционной ре-шетки. Для определения разности хода лучей 1’ и 2’ из точки А опустим перпендикуляры на лучи 2 и 2’ (на рис. 3.8 это пунктир¬ные линии). Искомая разность хода Δ = 2 dsinθ. Лучи будут уси¬ливать друг друга при 2 dsinθ = = mλ, где m = 1,2…. – порядок дифракционного максимума. Данное соотношение называется формулой Вульфа-Брэгга. Если известна длина волны рентгеновских лучей, то по виду дифракционной картины можно определить структуру кристалла. На этом основан метод изучения структуры веще¬ства, получивший название рентгеноструктурного анализа. Основоположники рентгеноструктурного анализа У.Г.Брэгг (отец) и У.Л. Брэгг (сын) первыми расшифровали атомные структуры ряда кристаллических веществ, за что были удо¬стоены в 1915 г. Нобелевской премии.

Рен-ская трубка

Рентге́новская тру́бка — электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения.

Излучающий элемент представляет собой вакуумный сосуд с тремя электродами: катодом, накал катода и анодом.

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов (характеристическое излучение). Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли:

где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло. Чтобы предотвратить перегрев анода, в мощных рентгеновских трубках применяют водное охлаждение и вращающийся анод[1].

Энергия генерируемых фотонов лежит в области рентгеновского диапазона (длина волны 0,05 ÷ 0,2 нм)