Ионизирующие излучения. Рентгеновское излучение.

Ионизирующее излучение

Ионизирующее излучение – это потоки частиц или электромагнитные волны, которые вызывают ионизацию вещества. Ион – это атом или молекула, «получившая» или «потерявшая» один или несколько электронов. Под действием ионизирующего излучения происходит «вырывание» электронов из атомов или молекул.

Ионизирующее излучение может иметь корпускулярную или волновую природу. Корпускулярное ионизирующее излучение: α-излучение (поток ядер гелия), β-излучение (β^- - излучение: поток электронов, β⁺-излучение: поток позитронов (позитрон- это античастица электрона, имеет ту же массу, заряд равен по модулю, но противоположен по знаку)), поток нейтронов, поток протонов. К волновому ионизирующему излучению относится рентгеновское излучение и γ-излучение.

Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10^-5 нм.

Если расположить электромагнитные волны в порядке уменьшения длины волны (увеличения частоты), то получается следующая последовательность: радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, γ-излучение.

По способу возбуждения рентгеновское излучение делится на тормозное и характеристическое.

Тормозное рентгеновское излучение

Т.к. рентгеновское излучение – это э/м волна, вспомним механизм возникновения э/м волны. Источником э/м волн является заряженная частица, движущаяся с ускорением, так как при изменении скорости движения заряженной частицы υ изменяется магнитная индукция ( ), т.е. магнитное поле становится переменным. Согласно теории Максвелла переменное магнитное поле «порождает» в соседней точке пространства переменное электрическое поле, которое в свою очередь «порождает» переменное магнитное поле и т.д., т.е. возникает электромагнитная волна.

М еханизм возникновения тормозного рентгеновского излучения:

При нагревании катода в результате термоэлектронной эмиссии он испускает электроны (рис. 1). Под действием электрического поля электроны упорядоченно движутся к аноду (возникает электрический ток). При приближении к аноду электроны тормозятся электрическим полем ионов анода, а согласно теории Максвелла заряженные частицы (в данном случае электроны), движущиеся с ускорением, являются источниками электромагнитных волн. Таким образом, возникает тормозное рентгеновское излучение.

При этом работа электрического поля А=e·U идет на увеличение энергии электрона Е_e= e·U, которая в свою очередь идет на излучение фотона с энергией Е_ф=h·ν и нагревание анода Е_нагр. Таким образом,

e·U= h·ν+Е_нагр, где е - заряд электрона, U– напряжение в рентгеновской трубке, h – постоянная Планка, ν- частота излучения.

Так как электроны часть своей энергии отдают аноду, то анод делают из тугоплавких металлов. В отдельных случаях анод охлаждается водой или маслом. Существуют рентгеновские трубки с вращающимся анодом.

Характеристики тормозного рентгеновского излучения:

1. Поток рентгеновского излучения.

(1), где I – сила тока в рентгеновской трубке, U – напряжение в рентгеновской трубке, Z – порядковый номер атома вещества анода, k=10^-9 В^-1 – коэффициент пропорциональности.

2. Спектр тормозного рентгеновского излучения – график, показывающий зависимость потока рентгеновского излучения от длины волны. Он является сплошным.

3. Граница тормозного рентгеновского излучения λ_min– это минимальная длина волны (максимальная частота ν_max ), начиная с которой наблюдается рентгеновское излучение.

В этом случае энергия электрона полностью переходит в энергию фотона: e·U= h·ν_max или , где c-скорость э/м волн в вакууме. Следовательно, .

Подставим h=6,63·10^-34 Дж·с, е=1,6·10^-19 Кл, с=3·10⁸ м/с,

Получим (2), где [λ_min]=10^-10м, [U]=10³В.

4. Проникающая способность. Чем меньше длина волны, тем больше проникающая способность рентгеновских лучей. Из формулы (2) видно, что при увеличении напряжения длина волны уменьшается, следовательно, увеличивается проникающая способность.

5. Жесткость рентгеновского излучения. Чем меньше длина волны, тем жестче излучение.

Характеристическое рентгеновское излучение

М еханизм возникновения:

П ри увеличении напряжения в рентгеновской трубке электрон, испускаемый катодом, может преодолеть электрическое поле атомов анода и попасть внутрь атома, выбивая электрон с одного из внутренних уровней (рис.2а). На месте выбитого электрона образуется «вакантное место», на которое переходит электрон с более внешнего уровня. При переходе электрона с уровня с большей энергией на уровень с меньшей энергией, атом испускает фотон электромагнитного излучения (согласно II постулату Бора), в данном случае фотон характеристического рентгеновского излучения (рис. 2б).

Характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, M и т.д. Например, при выбивании электрона с К-уровня будут наблюдаться все серии, так при переходе электрона с L-уровня на К-уровень излучается фотон, затем электрон с М-уровня переходит L-уровень, что сопровождается также излучением фотона и т.д.

Спектр характеристического рентгеновского излучения является линейчатым.

Закон Мозли показывает зависимость частоты спектральной линии ν от порядкового номера атома вещества анода Z: , где А, В –постоянные.

Таким образом, при увеличении порядкового номера элемента увеличивается частота спектральной линии.

Кроме того вид рентгеновского спектра не зависит от химического соеденения, в которое входит атом.

Закон ослабления рентгеновского излучения: , где Ф₀ – падающий на вещество поток рентгеновских лучей,

Ф – выходящий поток рентгеновских лучей,

х – толщина слоя вещества,

- линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения веществом.

, где Z- порядковый номер атомов вещества, составляющих биологическую ткань

Массовый коэффициент ослабления: , где - плотность вещества.