1.2. Характеристическое рентгеновское излучение

При высоких значениях напряжения на рентгеновской трубке на фоне сплошного спектра рентгеновского излучения проявляются резкие линии. Та­кое излучение называется характеристическим. Возникновение линейчатого спектра не может быть объяснено тормозными эффектами. Оно объясняется следующим образом.

При больших энергиях бомбардирующие анод электроны преодолевают кулоновские силы отталкивания от наружных электронных оболочек атомов вещества анода и взаимодействуют с электронами, заполняющими внутренние оболочки. Происходит выбивание электрона, находящегося на внутренней обо­лочке. Этот эффект называется внутренней ионизацией или эффектом Оже. Например, при появлении, в ближайшей к ядру Л"-оболочке вакантного для электрона места туда осуществляется переход электрона с более удаленной /,-оболочки. При этом испускается квант излучения с энергией Иуц = Ег - Е\, равной разности энергий электрона на I- и /С-оболочках.

Таким образом, возникающее характеристическое рентгеновское излуче-

ние обусловлено электронными переходами во внутренних оболочках атомов. Напомним, что спектры излучения оптического диапазона обу­словлены переходами валентных электронов из одного состояния в другое. Линейчатый спектр характеристического излучения представляется в виде серий. К-серия определяется переходами электронов с более удаленных от ядра оболочек на К-оболочку; L-серия - на L-оболочку и т.д. (рис. 1.4).

Частота v соответствующая отдельным линиям характеристического излучения, зави­сит от порядкового номера элемента Z и увеличивается с его возрастанием по закону Мозли: √v = А(Z - В), где А и В постоянные.

В отличие от оптических спектров, химических связей между атомами вещества; характеристические рентгеновские спектры атомов не зависят от их «окружения». Для данного вида атомов они всегда одинаковы.

1.3. Первичные физические эффекты, возникающие при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом

Рассмотрим взаимодействие квантов рентгеновского излучения с атома­ми и молекулами вещества, в котором они распространяются. Очевидно, что результат этого взаимодействия зависит в первую очередь от энергии кванта, и здесь принято выделять следующие случаи.

Энергия кванта меньше энергии ионизации атома (А v <А„). Тогда на атомах вещества происходит рассеяние квантов без изменения их частоты (рис. 1.5 а). Такое взаимодействие называется когерентным рассеянием. Оно характерно для длинноволнового (мягкого) рентгеновского излучения. Коге­рентное рассеяние приводит к изменению структуры падающего пучка рентге­новских лучей - если падающий на вещество пучок был параллельным, то по­являются кванты, которые, подвергаясь частичному или полному поглощению веществом, распространяются в различных направлениях.

Энергия кванта несколько превышает энергию ионизации (А v 2 А„). В этом случае электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинети­ческую энергию - происходит фотоэффект (рис. ! .5 б). В результате фотоэф­фекта поглощенная энергия рентгеновского кванта вызывает ионизацию веще­ства.

Энергия кванта значительно превышает энергию ионизации атомов вещества (А v »/4„). Часть энергии Н v падающего кванта идет на вырывание электрона из электронной оболочки атома вещества, другая - на образование фотона другого направления распространения и меньшей энергии И v', а также на сообщение выбитому или свободному электрону кинетической энергии Е_к:

Это явление называется эффектам Комптона, а рассеяние рентгеновско­го излучения с изменением длины волны - некогерентным рассеянием (рис. 1.5 в). Вторичные рентгеновские кванты, обладая энергией Лс'>/(„, могут еще вызывать ионизацию вещества, в котором они распространяются. Полу­чившие кинетическую энергию электроны отдачи могут также ионизировать соседние атомы вещества путем соударения.

Отмеченные первичные акты взаимодействия рентгеновского излучения и вещества могут порождать-ряд вторичных процессов. В частности, возбужде­ние атомов и молекул вызывает рентгенолюминесценцию, что используется для создания люминесцирующих экранов, позволяющих наблюдать рентгеновские изображения. Если происходит отрыв электронов с внутренних оболочек ато­мов, то возникает характеристическое рентгеновское излучение (рис. 1.5 г).

Таким образом, жесткие рентгеновские лучи за счет эффекта Комптона, происходящего независимо и параллельно с ним фотоэффекта, и вторичных процессов вызывают значительную ионизацию вещества, с которым они взаи­модействуют. Это приводит к сильным структурным и функциональным изме­нениям в биологических тканях.