4. Рентген сәулелерінің түрі.

Рентген сәулелерін пайда болу жағдайына байланысты екі түрге бөлуге болады: тежеулік және сипаттамалық.

А) Тежеулік рентген сәулелері.

Катодтан шыққан электрондар катод пен анод арасында түсірілген кернеумен үдетіледі де, анод бетіне жеткенде кинетикалық энергияға ие болады:

Е = еU (1),

мұндағы е- электрон заряды 1,6 10^-19 Кл және U- катод пен анод арасындағы кернеу. Анод затының бетінде (айнада) анод атомдарының электр өрісімен электронның қозғалысы өте жылдам тежеледі және электронның энергиясының бір бөлігі жылу энергиясына (Q), қалған бөлігі электромагниттік (ЭМ) сәуле энергиясына (hν) айналады, осы ЭМ сәуленің толқын ұзындығы рентген сәулесінің диапазонына сәйкес келеді:

Е = еU = Q + hν (2),

мұндағы Q – жылу энергиясы, h –Планк тұрақтысы 6,68 10^-34 Дж с, ν – электромагниттік сәуленің жиілігі. Осылайша тежеулік рентген сәулесі пайда болады. Оның спектрі тұтас болады (сурет 3). Тежеулік рентген сәулесі анодпен соқтығысатын электрондардың энергиясына ғана тәуелді.

Э лектромагниттік толқынның пайда болуын былайша түсіндіруге болады: электрондардың катодтан анодка қарай бағытталған қозғалысы электр тогы. Электр тогының айналасында магнит өрісі пайда болады. Электрондар қозғалысы жылдам тежелгенде электр тогы да жылдам өзгереді, осыған байланысты магнит өрісі де жылдам өзгереді. Максвелл теориясы бойынша өзгермелі магнит өрісінің айналасында өзгермелі электр өрісі пайда болады, ол өзінің айналасында өзгермелі магнит өрісін тудырады. Осылайша электромагниттік толқындар пайда болады.

Э

Сурет 3.

Тежеулік рентген сәулелерінің спектрі

лектронның кинетикалық энергиясының қандай бөлігі жылуға, қандай бөлігі электромагниттік сәуле энергиясына айналатындығы кездейсоқ жағдай және ол электронның анод затымен әсерлесу түрлеріне байланысты, яғни бір электрон барлық энергиясын электромагниттік сәле энергиясына айналдырса, екіншісі толығымен жылуға айналдырады, ал басқалары әртүрлі үлеспен энергияның бір бөлігін жылуға, ал қалған бөлігін электромагниттік сәуле энергиясына айналдырады.

Егер Q = 0, онда (2)-ші теңдеуге сәйкес еU = hν_макс, ал екендігін ескерсе, онда ; (3)

Тежеулік рентген сәулесінің энергиясы анод пен катод арасындағы кернеуге тура, ал толқын ұзындығына кері пропорционал болады. Сонымен рентген сәулесінің толқын ұзындығы неғұрлым үлкен болса, тасымалдайтын энергиясы соғұрлым аз болады және керісінше. Тежелу рентген сәулелерінің толқын ұзындығын түтікке түсірілетін анодтық кернеуді өзгерту арқылы реттеуге болады. Кернеуді өзгерткенде тек қана толқын ұзындығы өзгермейді, сонымен қатар сәулелер энергиясының ағыны да өзгереді, яғни осыған сәйкес сәулелердің жалпы қуаты өзгереді.

Е гер катодтағы ток күшін өсірсе, онда катодтың температурасы артады, ол электрондардың эмиссиясын және түтіктегі тоқ күшін арттырады. Бұл әр секундта шығарылатын рентген сәулелерінің фотондарының санын арттырады. Сәулелердің спетрлік құрылымы өзгермейді (сурет 4). Рентген сәулелерінің фотондарының саны артуы ол сәуле ағынынының артуы. Ендеше рентген сәулелерінің энергия ағыны (Ф) анодтағы кернеуге U, катодтағы ток шамасына I байланысты. Бұл байланысты мына формуламен көрсетуге болады:

Ф= kU²IZ,

мұндағы k –пропорционалдық коэффициенті, U - катод пен анод аралығына түсірілген кернеу, I – катод тізбегіндегі ток күші Z – анод затының Д.И. Менделеев кестесіндегі реттік нөмірі. Әртүрлі анод заты үшін бірдей U и I_н жағдайларында алынған ретген сәулелерінің спектрі 5-суретте көрсетілген.

Жоғарыда айтылғандардан, формулалардан және келтірілген суреттерден тежелу рентген сәулелері үшін мынандай қорытындылар жасауға болады:

а) үздіксіз болады (3-сурет);

б) қысқа толқынды λ_мин шекарасы болады (3-сурет);

в) рентген түтігіне түсірілген кернеу сәуленің спектрлік құрылымын өзгертеді (3-сурет);

г) қысқа толқынды шекара λ_мин=12,3/U қысқа толқындар жағына қарай λ3<λ2<λ1 ығысады, егер түтікке түсірілген кернеуді арттырса U3>U2>U1 және керісінше (3-сурет);

д) сонымен қатар энергия ағынының максимумына сәйкес келетін λ_Емакс толқын ұзындығы болады (3-сурет);

е) λ_Емакс = 1,5λ_мин толқын ұзындығы, түтіктегі кернеуді арттырғанда U₃>U₂>U₁, қысқа толқындар жағына қарай ығысады λ_Емакс3<λ_Емакс2< λ_Емакс1 (3-сурет);

ж) спектр қисығы астындағы аудан түрінде анықталатын сәулелердің энергия ағыны анодтағы кернеуге байланысты, ол өссе ағын да артады (4-сурет);

з) спектр қисығы астындағы аудан түрінде анықталатын сәулелердің энергия ағыны анод затының Д.И.Меделеев кестесіндегі рет нөміріне байланысты, ол өссе ағын да артады (5-сурет);

Б) Сипаттамалық рентген сәулелері.

Р ентген түтігінен тежеулік сәулелерімен қатар сызықты спектрлі сипаттамалық сәулелер шығады. Сипаттамалық рентген сәулесі анодтың материалына тәуелді. Анодпен соқтығысқан электрондардың энергиясы анод атомының ішкі электрондық қабатынан электрондарды ыршытып шығаруға жеткілікті болғанда пайда болатын рентген сәулесі сипаттамалық деп аталады. Басқаша айтқанда сипаттамалық рентген сәулелері анод атомдарын, атом құрылымына терең ене алатын және атом ядросына

жақын электрондарды жоғары энергиялы деңгейлерге өткізе алатын, жоғары энергиялы электрондармен қоздырғанда пайда болады. Ядродан алшақталған электрондар бос деңгейлерге өткенде, толқын ұзындығы рентген сәулелерінің диапазонында болатын кванттарды шығарады.

Сипаттамалық рентген сәулелері электрондардың міндетті түрде реттік нөмірі жоғары атомдардың ішкі деңгейлеріне (k, l, m) өткенде шығарылады. Өте күшті сыртқы әсерден, яғни жылдам электрондармен соққылағанда анод затының К қабатындағы электрон өз орбитасынан жұлынып алынып, жоғары N деңгейге өтеді (сурет 6). К деңгейіндегі босаған орынға одан жоғары кез келген деңгейлерден (мысалы, L не М, не N) электрон келуі мүмкін. Осы кезде электрондар ауысқан деңгейлер арасындағы энергия айырымына сай келетін фотон шығарылады. Ол фотон үшін hν_k1 = E_L – E_K, ауысуда L деңгейінде бос орын пайда болады, оған электрон М деңгейден hν_L1 = E_М – E_L энергиялы фотон шығарып, өтеді және т.б.;

hν_k2= E_М – E_K, ауысуда М деңгейінде бос орын пайда болады, оған электрон N деңгейден hν_М1 = E_N – E_М энергиялы фотон шығарып, өтеді , жтб.;

hν_k3 = E_N – E_K, ауысуда N деңгейінде бос орын пайда болады, оған электрон O деңгейден hν_N1 = E_O – E_N энергиялы фотон шығарып, өтеді , жтб.;

Бос орын ішкі деңгейлердің бірінде пайда болуы мүмкін, ал оған кез келген жоғары деңгейден электрон орын ауыстырып келуі мүмкін. Осының нәтижесінде, жеке сызықтардан (толқын ұзындықтарынан) тұратын және анод затның ерекшелігіне сай келетін сәулелер шығарылады. Сипаттамалық сәулелер спектріндегі сызықтар К, L, М серияларға, жоғарғы деңгейден қай деңгейге өтетіндігіне сай, бөлінеді. К деңгейге өтсе К-серия, L деңгейге өтсе L -серия , М деңгейге өтсе М-серия, жтб. Ағылшын ғалымы Мозли 1913 жылы рентген спектрінің сызықтарының оларды шығаратын элементтің атомдық нөмірімен байланысты болатындығын теория жүзінде дәлелдеген. Осы заң бойынша: ; мұндағы А және В тұрақты шамалар.

Әр серияда Z-тен (Z+1)-ге өткенде бірдей шамаға өзгеріп тұрады, сондықтан әртүрлі химиялық элементтердің беретін сипаттамалық спектрлерін, элементтерді атомдық нөмірлерінің өсуі бағытында орналастырып көрсетуге болады (сурет 7).