1. Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом

Падающие на вещество рентгеновские лучи взаимодействуют с его атомами. Основными процессами взаимодействия будут:

1. упругое рассеяние (рассеяние без изменения энергии рентгеновских квантов);

2. комптоновское или неупругое рассеяние (рассеяние с небольшим изменением энергии рентгеновских квантов из-за неупругих взаимодействий);

3. поглощение фотона атомом вещества, которое приводит к его ионизации или возбуждению, после чего может произойти испускание фотоэлектрона либо нового фотона (флуоресценция) с энергией характеристического спектра возбуждённого атома.

Для лёгких элементов (например, углерода) интенсивность комптоновского рассеяния в 5-6 раз больше, чем упругого, а для тяжёлых – гораздо меньше.

Указанные процессы обуславливают ослабление прошедшего через вещество пучка РИ согласно закону

,

где I₀ – интенсивность падающего пучка РИ; I - интенсивность прошедшего через вещество РИ; μ – линейный коэффициент ослабления; d – толщина слоя поглотителя.

Для характеристики веществ обычно пользуются массовым коэффициентом поглощения μ_м = μ / ρ, где ρ – плотность поглощающего вещества. Коэффициент μ_м для данного вещества не зависит от его состояния. Если в состав поглотителя входит несколько элементов со своими μ_i и концентрацией с_i (в весовых процентах), то действительным (эффективным) коэффициентом поглощения будет

Коэффициент поглощения зависит от длины волны сложным образом (рис.1).

Рис.1

Из рис.1 видно, что, 1) с уменьшением длины волны монохроматического РИ коэффициент поглощения будет уменьшаться, т.к. с ростом энергии рентгеновских квантов (Е=hc/λ) увеличивается их проникающая способность; 2) при определённой критической длине волны λ_К поглощение испытывает резкий скачок, обусловленный возникновением излучения флуоресценции.

Итак, когда длина волны достигнет критического значения, химический элемент начинает и при дальнейшем уменьшении длины волны продолжает испускать своё собственное характеристическое излучение в виде излучения флуоресценции.

Например, оболочка К будет ионизироваться при столкновении с рентгеновскими фотонами, энергия которых . Как только λ становится равной или меньше λ_К, поглощение слоем К резко увеличивается. Рентгеновские фотоны с указанной энергией будут поглощаться, вызывая ионизацию в оболочке К и последующее заполнение образовавшихся вакансий электронами с вышележащих энергетических уровней, которое сопровождается излучением флуоресцентных фотонов, т.е. флуоресцентным излучением. Та же картина характерна для слоя L, но скачки не так велики: коэффициент поглощения увеличивается примерно в 8 раз на пороге К и в 3 раза на пороге L_III. Внутри одной области длин волн (ниже границы λ_К, между λ_К и λ_LI и т.д.) коэффициент поглощения приблизительно пропорционален λ³.

Такой характер зависимости μ(λ) позволяет создавать фильтры для изменения спектрального состава излучения. Например, если скачок поглощения материала фильтра расположен между К_α и К_β – линиями (рис.2), испускаемыми анодом рентгеновской трубки, то он будет сильно поглощать К_β – излучение и значительно слабее К_α- излучение (селективно-поглощающий фильтр). На рис.2,а показан спектр без фильтра, а на рис.2,б – с никелевым фильтром. Такие фильтры широко применяются для подавления К_β – излучения.

μ

Рис.2

Следует отметить, что наблюдение дифракции рентгеновского излучения на решётке кристалла оказывается весьма затруднительным из-за флуоресцентного излучения, которое особенно существенно, если длина волны первичного рентгеновского излучения немного меньше одного из краёв поглощения исследуемого вещества. Чтобы избежать флуоресценции, необходимо выбрать рентгеновскую трубку с атомным номером вещества анода либо не больше атомного номера исследуемого вещества, либо существенно больше последнего. Если атомный номер вещества анода меньше атомного номера исследуемого вещества, то длина волны первичного рентгеновского излучения, согласно закону Мозли, будет больше края поглощения (λ>λ_К) и флуоресцентное излучение ещё не возникнет. Если же атомный номер вещества анода значительно больше атомного номера исследуемого вещества, то длина волны первичного излучения будет намного меньше края поглощения (λ<<λ_К) и флуоресцентное излучение будет не столь существенным. Номер вещества анода может быть также больше атомного номера исследуемого вещества на единицу (для элементов средней части таблицы Менделеева). В этом случае флуоресценция возбуждается лишь более слабым К_β-излучением, которое в свою очередь отфильтровывается.