1.2. Характеристическое рентгеновское излучение.
При высоких значениях напряжения на рентгеновской трубке на фоне сплошного спектра рентгеновского излучения проявляются резкие линии. Появление этого линейного спектра не может быть объяснено тормозными эффектами. Такое излучение называется характеристическими его возникновение 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 высвобождение электрона находящегося на внутренней оболочке. Этот эффект называется внутренней ионизацией или эффектом Оже.
При появлении, например, вакантного для электрона места в ближайшей к ядру К-оболочке туда осуществляется переход электрона с более удаленной от ядра L-оболочки. При этом испускается квант излучения с энергией hkl= E2– E1, равной разности энергий электрона на L и K оболочках.
Таким образом, возникающее характеристическое рентгеновское излучение обусловлено электронными переходами во внутренних оболочкахатомов. Напомним, что спектры излучения оптического диапазона обусловлены переходамивалентных 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. (см. рис.1.3).
Частота излучения
, соответствующая
отдельным линиям, зависит от порядкового
номера элемента Z и увеличивается с
его возрастанием позаконуМозли:
=
А(Z – B), где А и В постоянные.
В
отличие от оптических спектров, вид
которых зависитот состава химического
соединения, куда входят атомы определенного
элемента, характеристические рентгеновские
спектры атомовне зависятот их
”окружения”. Для данных 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, в первую очередь, зависят от энергии кванта и здесь принято выделять следующие случаи.
1) Энергия кванта меньше энергии ионизации атома ( h Аи). Тогда на атомах вещества происходит рассеяние квантов без изменения их частоты. (см. рис. 1.4 а). Такое взаимодействие называетсякогерентным 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, распространяющиеся по различным направлениям, подвергаясь частичному или полному поглощению веществом.
2). Энергия кванта превышает энергию ионизации (h Аи ). В этом случае электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию- происходитфотоэффект(см. рис. 1.4 б). В результате фотоэффекта поглощенная энергия рентгеновского кванта вызывает ионизацию вещества и возбуждение атомов и молекул.
3
)
Энергия кванта значительно превышает
энергию ионизации
(h
Аи).
Часть энергии h
падающего кванта идет на вырывание
электрона из электронной оболочки атома
вещества, а другая- на образование фотона
меньшей энергии h
и другого направления
распространения, а также на сообщение
оторванному или свободному электрону
кинетической энергии Ек:
h= Аи + h + Ек .
Это явление называется эффектом Комптона, а рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны - некогерентнымрассеянием(см. рис. 1.4 в). Получившие кинетическую энергию электроны отдачи могут ионизировать соседние атомы вещества путем соударения.
Отмеченные первичные акты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом могут порождать ряд вторичных процессов. В частности, возбуждение атомов и молекул вызывает рентгенолюминесценцию, что используется для создания люминесцирующих экранов, позволяющих наблюдать рентгеновское изображения. Если при фотоэффекте наблюдается отрыв электронов с внутренних оболочек атомов, то возникает характеристическое рентгеновское излучение (рис.1.4 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.
В итоге, при воздействии рентгеновского излучения на биологические ткани в них возникают сильные структурные и функциональные изменения.