Гальмівне рентгенівське випромінювання

Суцільний спектр одержується в результаті гальмування швидких електронів у речовині антикатода. Якщо між катодом і антикатодом прикладена напруга U_а, електрони розганяються і їх енергія дорівнює еU_а, де е - заряд електрона. Влітаючи в антикатод, електрони різко гальмуються, тобто рухаються з від'ємним прискоренням, і стають джерелами рентгенівського електромагнітного випромінювання.

Умови гальмування для різних електронів неоднакові, і різні частки їх кінетичної енергії перетворюються в енергію рентгенівських квантів. При повному перетворенні енергії електрона mv²/2 = eU_a в енергію кванта hv_макс дістанемо eU_a = hv_макс, де h - стала Планка, v_макс - найбільша частота рентгенівського гальмівного спектра. Враховуючи, що v_макс = с/λ_мін (с - швидкість світла у вакуумі, λ_мін - гранична довжина хвилі випромінювання, яка відповідає v_макс), дістанемо eU_a = hс/λмін, звідки

λ = hc/eU_a = 1.24 [нм] /U[кВ] (1)

З цієї причини в гальмівному рентгенівському спектрі спостерігаються всі довжини хвиль, починаючи з λмін. Його називають тому суцільним "білим спектром".

Розподіл інтенсивності по неперервному спектру рентгенівських променів при різних U_а для вольфрамового антикатода наведено на рис. 9.2. Довжина хвилі λ_м , на яку припадає максимум в спектрі гальмівного рентгенівського випромінювання, задовольняє умові λ_м = ѕ λ_мін (2)

Важливою особливістю суцільного рентгенівського спектра є його коротко­хвильова межа. Із виразу (9.1) випливає, що при даній напрузі \]а не може бути довжини хвилі, яка менша за λ_мін. Значення сталої Планка h, одержане із вимірювань короткохвильової межі рентгенівського суцільного спектра, є одним із найточніших і достовірних.

Потік Ф рентгенівських променів, що виходять із трубки, зростає пропорційно силі струму I в трубці, квадрату напруги на трубці U_а і залежить від величини атомного номера Z речовини антикатода, тобто

Ф = kZU_a²I, k =10^-9 Вт /В² (3)

Жорсткість рентгенівських променів, яка зростає зі зменшенням довжини хвилі, характеризує їх проникаючу здатність і залежить тільки від напруги U_а, яка подається на трубку. Чим вища напруга, тим жорсткіші рентгенівські промені, як це видно із формул (1) і (2). Інтенсивність рентгенівського випромінювання регулюється шляхом зміни струму розжарювання залежно від потрібної потужності випромінювання - від малих струмів в трубці при просвічуванні (2-5 мА) до дуже великих струмів (тисячі міліампер), що застосовуються при деяких рентгенівських знімках.

Характеристичне рентгенівське випромінювання, його природа. Закон Мозлі

Характеристичний спектр виникає тому, що частина бомбардуючих електронів проникає в атоми антикатода і збуджує їх. Причому електронні переходи відбуваються в надрах атомів, тобто в оболонках, ближчих до ядра - К, L, М. Тому енергія квантів рентгенівських променів більша від енергії квантів видимого світла, так як останні отримуються при електронних переходах між зовнішніми оболонками атома, тобто на його периферії.

Характеристичне випромінювання має лінійчатий спектр. Свою назву воно дістало тому, що цей тип рентгенівського випромінювання характеризує речовину антикатода і його вид не залежить від того, чи елемент знаходиться у вільному або хімічно зв'язаному стані. Характеристичні лінії завжди виникають на фоні неперервного спектра.

Н а рис. 9.3 зображено графік розподілу інтенсивності по спектру випромінювання рентгенівської трубки з вольфрамовим анодом при Uа= 168 кВ. Цей графік наочно ілюструє той факт, що загальний спектр включає в себе як неперервний спектр, так і характеристичні лінії /Г-серії. На ділянці неперервного спектра, розміщеного зліва від накладених на нього спектральних ліній, видний "провал". Ця відсутня енергія пішла на збудження сусідніх спектральних ліній.

Н а рис. 9.4 схематично зображено виникнення різних серій характеристичних рентгенівських променів. В атомах з більшим атомним номером внутрішні електронні оболонки К, L, М повністю заповнені електронами. При вилученні електрона з однієї із внутрішніх оболонок на звільнене місце переходить електрон з більш віддаленої від ядра оболонки і випромінюється рентгенівський квант. Переходи, що закінчуються на K-оболонці, дають K-серію характеристичного спектра, яка складається з трьох ліній:

К_α - відповідає переходу з L-оболонки на K-оболонку;

К_β - відповідає переходу з М-оболонки на .К-оболонку;

К_γ - відповідає переходу з N-оболонки на K-оболонку.

Переходи, що закінчуються на і-оболонці та М-оболонці, дають відповідно L-серію і М-серію характеристичного рентгенівського спектра. Характеристичний спектр складається із 8-10 ліній, що утворюють К, L, М-серії. Для важких елементів в кожну серію входять три лінії α,β,γ. Найінтенсивніша в характеристичному спектрі К_а -лінія, так як ймовірність переходів на К-оболонку з L-оболонки більша, ніж з М, N та інших більш віддалених оболонок.

Для кожного атома існує межа збудження К-серїї. Наприклад, для ртуті (Z = 80) вона становить близько 82 кеВ. Це пов'язано з тим, що для виривання електрона із найближчої до ядра K-оболонки, на якій електрони найсильніше притягуються до ядра, необхідна значна енергія, яка іде на виконання роботи по вириванню електрона. Тому лінії характеристичного спектра з'являються тільки при напрузі на рентгенівській трубці, яка більша певного значення для кожного матеріалу анода.

Закон Мозлі. В 1913 р. англійський фізик Мозлі, досліджуючи залежність довжини хвилі характеристичних променів від атомного номера Z різних елементів, встановив співвідношення, які називаються законом Мозлі:

v = R (Z - σ)² (1/1² -1/2²) для К_α-лінії;

v = R (Z - σ)² (1/2² -1/3²) для L-лінії;

де R = 3,3-10¹⁵с^-1 - стала Ридберга; σ - постійна величина, яка називається сталою екранування (для лінії К_α σ = 1, для L-серії σ = 0,75).

Н а рис. 9.5 зображено так звану діаграму Мозлі, яка ілюструє для ліній К_α лінійну залежність від атомного номера Z. Послідовне застосування формули Мозлі до елементів періодичної системи Менделєєва підтвердило в свій час закономірне зростання на одиницю заряду ядра при переході від одного елемента до іншого. Це стало природничо-науковим підтвердженням справедливості ядерної моделі атома і періодичного закону Д. І. Менделєєва.