Вопрос 44. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации А_и имеют место три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А_и .

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излуче­ния и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защи­ты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодейст­вия имеет значение для рентгеноструктурного анализа.

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). В 1922 г. А. X. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пуч­ка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассе­янного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона.

Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации): hv > A_и.

Так как обычно hv >> А_и, и тогда эффект Комптона происходит как бы на свободных электронах, то можно записать приближенно

С ущественно, что в этом явлении (см. рис.) наряду с вторичным рентгеновским из­лучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е_к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов. Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т. д. явлениям. Так, например, атомы с вакансией (отсутствием) электрона на одной из внутренних оболочек могут излучать характеристический рентгеновский спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т. п.

На рис. приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изо­браженному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перей­дет в энергию молекулярно-теплового движения.

Процессы, представленные схемой на рис., лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.

Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рент­геновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электро­проводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгенов­ского излучения ослабляется в соответствии с законом (24.3). За­пишем его в виде

где μ— линейный коэффициент ослабления. Его можно пред­ставить состоящим из трех слагаемых соответствующих когерентному рассеянию μ_к , некогерентному μ_нк и фотоэффекту μ_ф:

Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то ослабление пучка не изменится, так как число атомов остается прежним. Следовательно, показатель степени в формуле (26.8) не изменится:

х₂=x₁/b так как при сжатии толщина поглощающего слоя уменьшилась в b раз. Отсюда имеем μ₁ = μ₂/b.

Это означает, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества.

Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициен­том ослабления, который равен отношению линейного коэффици­ента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плот­ности вещества: