Возбуждение рентгеновского излучения.

Первичное рентгеновское излучение возникает при бомбардировке атомов твердого тела заряженными элементарными частицами (электронами, протонами), обладающими большой энергией. Эту энергию электрон получает в результате ускорения в электростатическом поле большой напряженности. В качестве источника первичного рентгеновского излучения используется глубоковакуумированная рентгеновская трубка, в которой накаленная нить катода выделяет электроны, ускоряемые затем в сторону анода приложенным к трубке напряжением 10 ÷ 70 кВ.

Возбуждение рентгеновских лучей бомбардировкой твердого тела протонами и более тяжелыми ионами возможно при ускорении их (частиц) до высоких энергий в электростатических генераторах или циклотронах. Источниками рентгеновского излучения являются также некоторые радиоактивные изотопы, которые либо сами испускают рентгеновское излучение ( ⁵⁵Fe, ¹⁰⁹Cd), либо выбрасывают электроны или α-частицы (²¹⁰Ро), бомбардируя которыми твердое тело можно получить рентгеновское излучение.

ТОРМОЗНОЙ (СПЛОШНОЙ) И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЙ РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ.

Электрон, летящий со скоростью v, при ударе об вещество испытывает резкое торможение, теряя свою кинетическую энергию. Большая часть этой энергии (р) расходуется на взаимодействие с материалом вещества превращаясь в тепло, а остальная энергия переходит в энергию электромагнитного излучения, длина волны которого, в зависимости от энергии электрона, определяется уравнением:

/1/

Появление этого излучения связано с отклонением летящего электрона от первоначального направления движения в результате импульса притяжения положительно заряженных ядер атомов. По законам электродинамики, заряженная частица при изменении траектории движения, теряет часть энергии в виде электромагнитного излучения.

Так как угол отклонения колеблется в широких пределах (от 0 до 180⁰), и многие электроны многократно меняют траекторию движения, прежде чем рассеют всю свою энергию, то излучение будет иметь сплошной набор длин волн, ограниченных со стороны коротковолновой части вполне определенной длиной волны λ_min, определяемой из максимальной кинетической энергии электрона.

Если p<<mv²/2, и кинетическая энергия переходит в электромагнитное излучение при единичном ударе, то

/2/ .

Подставляя в формулу соответствующие значения:

постоянную Планка – h = 6,62∙10^-34 Дж∙с,

скорость света – с = 3∙10¹⁷ нм∙с^-1 ,

заряд электрона – е = 1,602∙10^-19 кулонов,

напряжение на трубке – U, вольт, и, поскольку, 1 джоуль = вольт∙кулон, получаем формулу Дюана – Гента:

/3/

Этот вид рентгеновского излучения называется тормозным или сплошным рентгеновским спектром.

Максимум интенсивности тормозного спектра приходится на участок с λ_max = 1,5 λ_min. Энергия, определяемая площадью под кривой, возрастает по мере увеличения порядкового номера элемента, используемого в качестве материала антикатода рентгеновской трубки, и прилагаемого к ней напряжения.

Возникновение характеристического рентгеновского спектра связано с той частью энергии электрона, которая идет на взаимодействие с веществом (материалом анода трубки). При постепенном увеличении напряжения, подаваемого на трубку, кинетическая энергия электрона возрастает, не вызывая качественного изменения спектра. Но, при определенном напряжении, вид спектра резко меняется. Появляются резкие максимумы интенсивного излучения, соответствующие линиям характеристического спектра. Напряжение, при котором появляются такие линии, называется потенциалом возбуждения. При этом напряжении энергии летящих электронов достаточно, чтобы выбить электроны с внутренних оболочек атома. Минимальные потенциалы возбуждения для ряда элементов приведены в таблице.

Порядковый номер элемента	Элемент	К, кв	L1, кв	L2, кв	L3, кв
11	Na	1,0
26	Fe	7,1	0,8
40	Zr	18,0	2,5
50	Sn	29,2	4,4	4,1	3,9
70	Yb	61,3	10,5	10,0	8,9
90	Th	109,6	20,5	19,7	16,3

Энергетические уровни атома классифицируются как K, L, M, N, Q, и т.д. Абсолютная энергия электронов возрастает от ядра, т.е. от К-уровня к Q- уровню, а энергия связи с ядром, наоборот, возрастает от Q-уровня к К-уровню. Любая замкнутая система стремиться к минимуму энергии.

Если выбить электрон с К-уровня, появившуюся вакансию (дырку) обладающую меньшей энергией движения электрона, занимают электроны более удаленных уровней, выделяя избыток энергии в виде кванта электромагнитного излучения. Так как энергетические состояния электронов на каждом уровне вполне определенны, то в результате перехода электрона выделяется энергия излучения определенной частоты. Электронные переходы классифицируются по уровню, на который они переходят. Например, К-серия характеризуется переходом на К-уровень, L-серия переходами на L-уровень. Все линии серий возникают одновременно. Для переходов внутри серии применяют индексы: α , β, γ. Все переходы электронов, характеризующиеся изменением главного квантового числа на единицу классифицируются как α-переходами, на два – β-переходами, на три – γ-переходами.

У электронов, находящихся на одной орбитали, имеется различное магнитное квантовое число, и они будут находиться на разных подуровнях одного и того же уровня. Это учитывается цифровыми индексами. Но не все переходы разрешены, многие из них маловероятны. Наиболее вероятен переход с ближнего уровня. Так, например, энергия излучения К_α-перехода меньше, чем К_β-перехода, но α-переходов будет много больше и интенсивность излучения α-линии окажется наибольшей. Относительная интенсивность линий К-серии характеризуется примерно как: Кα₁ : Кα₂ : К_β1 = 4 : 2 : 1. Связь частоты излучения с определенным элементом описывается законом Мозли:

/4/

R – константа Ридберга,

Z – порядковый номер элемента,

σ – постоянная экранирования для данного элемента,

n_{1 и} n₂ – главные квантовые числа (n₁ < n₂).

Для К- спектра ν = 0,248∙10¹⁶(Z – 1)².