2. Рентгеновское излучение. Рентгеновская трубка.

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген случайно (как это часто бывало в науке) обнаружил новый тип излучения, проникавшего через непрозрачные среды. Рентген назвал это излучение X – лучи, но позже название было изменено на лучи или излучение Рентгена. Рентгеновские лучи засвечивали завернутые в черную бумагу фотопластинки, заставляли светиться в темноте различные соли (в частности соли урана). Они интерферировали и дифрагировали, не отклонялись магнитным полем, то есть проявляли свойства электромагнитных волн. Одно из проявлений воздействия рентгеновских лучей – ионизация газов и конденсированных сред. Это явление подобно внешнему фотоэффекту.

Устройство, для генерации рентгеновских лучей получило название рентгеновская трубка. Современная рентгеновская трубка представляет собой вакуумное устройство типа вакуумного диода. В ней имеется подогреваемый электрическим током катод, который служит источником

свободных термоэлектронов. Кроме того, в трубке имеется анод, который традиционно называется антикатодом. В отличие от обычного вакуумного диода между катодом и антикатодом приложено очень высокое напряжение. В трубках оно достигает нескольких сотен киловольт. Рентгеновское излучение получают также с помощью ускорителей электронов (это так называемые бетатроны, бета-частицы – быстрые электроны; в бетатронах ускоряющее напряжение достигает ста мегавольт).

Столь высокие напряжения приводят к тому, что, подлетая к антикатоду, электроны приобретают большую энергию. Тормозясь на антикатоде, электроны дают тормозное излучение, причем в коротковолновой области – рентгеновские фотоны. Кроме того, они сильно нагревают антикатод, который приходится охлаждать специальными устройствами (часто – прокачивая через антикатод воду). Сильный нагрев антикатодов потребовал использовать для их изготовления самые тугоплавкие металлы – вольфрам, иридий и другие.

Рентгеновское излучение – типичный пример тормозного излучения (в данном случае на бесконечно тяжелой стенке). При этом учитывается, что электроны испытывают практически зеркальное отражение от антикатода и, следовательно, излучение направлено по биссектрисе угла отражения. В связи с этим, для удобства вывода излучения из рентгеновской трубки, антикатод делают в виде «зеркала», стоящего под углом 45 градусов к направлению потока электронов.

Рентгеновские трубки дают излучение различных длин волн. Например, для изучения дифракции рентгеновских лучей на щели использовалось излучение с длиной волны 10^-9 м (опыты российского физика В.П. Линника). Это длинные рентгеновские волны. В медицине и рентгеновской томографии используются более короткие рентгеновские волны – с длиной волны порядка 10^-10 м. Заметим, что это намного меньше, чем средний диаметр атома.

Еще более удивителен спектр излучения рентгеновских трубок. Выделяют непрерывный и характеристический спектры.

Непрерывный спектр имеет чисто тормозной характер и, в целом, определяется формулой (в.1.8), то есть имеет граничную частоту или граничную длину волны излучения. Так, для минимальной длины волны тормозного излучения установлено соотношение

м , (в.2.1)

если измеряется в киловольтах , или

эВ . (в.2.2)

Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от материала антикатода и одинаков для всех рентгеновских трубок.

Другой тип спектра наблюдается при повышении напряжения сверх критического, .

Он накладывается на непрерывный тормозной спектр в виде отдельных сравнительно узких линий. Характеристический спектр не зависит от того, в каком состоянии находятся атомы, рассеивающие электроны – являются ли они изолированными, находятся в составе молекул или входят в кристаллическую решетку. Это означает, что характеристические спектры определяются внутренними электронами атомных оболочек.

По современным представлениям за испускание характеристического рентгеновского излучения ответственен следующий многоступенчатый механизм.

Вначале быстрый электрон вызывает ударную ионизацию внутренней оболочки атома. Это процесс, напоминающий внешний фотоэффект, но происходящий не под действием света, а за счет энергии налетающего электрона (в результате остаются ион и два свободных электрона). Второе отличие от внешнего фотоэффекта – то, что улетает не тот электрон, который имеет наименьшую энергию связи (валентный электрон), а электрон, находящийся «ближе» к ядру и, за счет большей силы Кулона, имеющий большую энергию связи. Получившийся ион весьма своеобразен – его внешние оболочки могут иметь равновесный или невозбужденный вид, а одного из внутренних электронов не хватает.

Следующий этап напоминает испускание кванта возбужденным атомом – один из электронов, более «удаленный» от ядра, чем оторвавшийся электрон, выступает в роли возбужденного. Он способен перейти на более низкую орбиту, испустив фотон. Понятно, что энергия этого фотона велика (рентгеновский диапазон частот), причем это фотоны близких частот – в пределах ширины линии спонтанного испускания. Вынужденные процессы испускания рентгеновских фотонов мало заметны. Во всяком случае, добиться инверсии и получить лазерную генерацию на рентгеновских частотах пока не удалось, в частности, из-за отсутствия рентгеновских зеркал и резонаторов (некоторые достижения в этой области связаны с использованием синхротронного излучения).

Затем происходит релаксация возбуждения атома, приводящая к дополнительному излучению электромагнитных волн и заканчивающаяся переходом атома в состояние обычного иона. Часть энергии релаксирующего атома выделяется в виде тепла, разогревающего антикатод.

Спектр характеристического излучения зависит от материала антикатода. Экспериментальные исследования привели к установлению закона Мозли (1913 – 1914), определяющего основную частоту характеристического излучения данного материала:

, (в.2.3)

где С и – некоторые константы, а – число электронов в атоме (номер элемента).

Позже было дано теоретическое объяснение закона Мозли и были найдены соответствующие постоянные. Теоретическое объяснение состоит в том, что для рентгеновских фотонов тоже справедливы формулы Бора для разрешенных переходов, но с учетом экранировки заряда ядра электронами. Например, – серии (см. обозначения и смысл серий … выше) частота рентгеновского фотона равна

, (в.2.4)

постоянная Ридберга взята в «частотной» форме.

Для – серии

, (в.2.5)

и так далее.

В (5) величина учитывает экранировку ядра и подбирается из экспериментальных данных (в принципе, ее можно определить теоретическими методами, но это сложная и не очень нужная задача).

Материал, изложенный в этом разделе, потребуется нам при обсуждении эффекта Оже и эффекта Мессбауэра.