2. 1. Рассеяние и поглощение
Как показали исследования, при прохождении рентгеновских лучей с энергией до 1,022 МэВ наблюдаются два основных эффекта – истинное атомное поглощение и рассеяние.
Рентгеновские лучи ослабляются (т.е. теряют при прохождении через вещество часть своей энергии) в основном в результате двух процессов: фотоэлектрического поглощения и когерентного и некогерентного рассеяния.
Рассеяние – процесс отклонения лучей от первоначального направления в результате взаимодействия рентгеновских лучей с электронами атомов вещества, в результате которого электрон становится источником рентгеновского излучения – каждый электрон поглощает часть энергии первичного рентгеновского излучения, а затем испускает его во всех направлениях в виде сферических волн1.
Рассеяние может быть:
- когерентное (классическое рассеяние) – изменяется направление распространения излучения без изменения частоты колебаний и длины волны;
- некогерентное (модифицированное, комптоновское рассеяние) – с увеличением длины волны, т.е. энергия уменьшается и переходит в энергию заряженных частиц, часть её превращается в тепловую – нагревается образец.
Однако некогерентное рассеяние становится заметным лишь при очень жестком излучении (λ<0,03 нм) в веществах с небольшим атомным номером.
Например, при рассеянии литием (Z=3) когерентное излучение почти полностью отсутствует, в то время, как при рассеянии медью (Z=29) излучение почти полностью когерентно.
Поглощение – это ослабление рентгеновского пучка в результате процессов фотоэлектрического поглощения, флуоресценции и Оже-эффекта.
Фотоны рентгеновского излучения, проходя через вещество, расходуют свою энергию на преодоление энергии связи электронов на внутренних оболочках и сообщение этим электронам кинетической энергии. Получив дополнительную кинетическую энергию, электроны уходят со своих энергетических уровней: происходит ионизация с образованием фотоэлектронов (первичный фотоэффект). Такой механизм потери энергии рентгеновским излучением называют фотоэлектрическим поглощением.
Уход электронов с внутренних оболочек атомов (где их энергия связи выше) приводит к переходу электронов с удаленных оболочек (с малой энергией связи) на вакантный уровень, что вызывает возникновение характеристического рентгеновского излучения. Таким образом, материал преграды может под действием первичного пучка рентгеновских лучей сам становиться источником характеристического излучения, которое называют вторичным или флуоресцентным.
На возбуждении в образце вторичного рентгеновского излучения основан рентгеноспектральный анализ, который позволяет по флуоресцентному спектру определить поэлементный химический состав образца.
Рентгеновские спектры поглощения в отличие от оптических спектров не являются линейчатыми: они имеют вид широких полос с резкими краями, отвечающими скачкам поглощения. Появление скачков объясняется тем, что энергия квантов рентгеновского излучения становится достаточной для выбивания электронов с определенного энергетического уровня атомов поглощающего вещества. Появление линий вторичного характеристического излучения связано с испусканием квантов при переходах электронов на освободившиеся внутренние уровни (с меньшей кинетической энергией). Таким образом, каждый скачок связан с ионизацией определенного энергетического уровня атома.