Физика рентгеновских лучей Взаимодействие их с веществом

Физика рентгеновских лучей Взаимодействие их с веществом

Свойства рентгеновских лучей • Эл. магнитное излучение с длиной волны от 10 -4 до 102 А. (жесткое и мягкое) • Возникает при торможении электронов ( или др. заряженных частиц) а также при взаимодействии гамма - излучения с веществом. • Распространяются прямолинейно, преломляются, поляризуются и дифрагируют, как и видимый свет. • Коэффициент преломления очень мало отличается от единицы; он равен h =1 -d где d ~ 10 -6 для металлов. • Рентгеновское излучение проходит через непрозрачные для видимого света тела. Чем короче длина волны, тем большей проникающей способностью оно обладает. • Рентгеновские лучи производят фотографическое действие, засвечивают фотографические пленки и бумагу. • Рентгеновские лучи ионизируют газы, а также вызывают люминесценцию многих веществ. • Рентгеновские лучи можно разложить в спектр с помощью кристаллов • Фотоны электромагнитного излучения обладают

Рассеяние рентгеновских лучей (неупругое) Свойство фотонов, как частиц, предполагает при упругом столкновении их с заряженными частицами испускание фотонов с той же частотой, а при неупругом - наличие эффекта Комптона. Рис. 1. Схема рассеяния плоской волны на свободном электроне с комптоновской передачей импульса: So - единичный вектор распространения волны до рассеяния; S - единичный вектор распространения рассеянной волны: V - скорость движения электрона после столкновения с фотоном;

Рассеяние рентгеновских лучей (упругое) Электрическое поле рентгеновских лучей способно заставить колебаться заряженные частицы с той же частотой. Атомы содержат электроны и протоны. Масса электрона близка к нулю, поэтому электроны атомов, могут колебаться с частотой падающих на них Хлучей, испуская при этом сферические Р. волны с той же частотой (рис. 1 а), которые могут интерферировать друг с другом, т. е. гасят друга в одних направлениях и усиливают в других (рис. 1 б).

формула Вульфа-Брэгга. Если разность хода между лучами, отраженными от разных плоскостей (GY+YH), кратна длине волны l падающего излучения, то будет иметь место интерференция с усилением (дифракция). Таким образом, условие дифракции запишется в виде: 2 d sin q = n l , где n - целое число ( порядок отражения).

Получение Р. Л. Рентгеновские лучи получают с помощью рентгеновских трубок. В Р. трубке (рис. 1) разность потенциалов между катодом и анодом-мишенью ( десятки киловольт) ускоряет электроны, бомбардирующие анод. Возникающее при этом излучение состоит обычно из тормозной и характеристической составляющих (рис. 2).

Тормозное излучение (излучение со сплошным спектром) При торможении электронов на аноде их кинетическая энергия переходит в энергию одного или (последовательно, нескольких) квантов : mv 2/2 = e. U= hn +p, где p- энергия, которую имеет электрон после столкновения с атомом. Величина р может меняться от 0 до е. U. Если p =0, то излучается квант максимальной энергии hnо= hc/lо =e. U и lо=hc/e. U=12, 4/U, здесь l - выражена в ангстремах, а U - в киловольтах. Если p # 0, то испускаются фотоны меньших энергий. Непрерывная бомбардировка анода электронами сопровождается появлением совокупности квантов с разной энергией, которые воспринимаются как непрерывный поток лучей с различными длинами волн. Максимальной интенсивности соответствует длина волны спектра l max = 1, 5 lo. Общая мощность тормозного рентгеновского излучения Р зависит от порядкового номера атома анода z: Р = 1, 5 х 10 -6 i z U 2 (здесь U к. В, i м. А). Распределение интенсивности в пространстве неоднородно, максимальная интенсивность направлена (в зависимости от ускоряющего напряжения) под углом 3 o – 100 o к зеркалу анода, нормального пучку электронов.

Образование характеристического спектра Ускоренные в трубке электроны могут выбить тот или иной внутренний электрон атома анода. Возникновение электронной вакансии переводит атом в возбужденное состояние с временем существования около 10 -8 сек. Атом может вернуться в невозбужденное состояние путем самопроизвольного заполнения вакансии электроном с внешнего уровня.

Образование характеристического спектра Появление характеристического спектра легко объяснить на основе квантовомеханических представлений о строении атома. • Избыток энергии выделяется в виде кванта рентгеновского излучения с энергией, равной разности энергий электрона на внешнем и вакантном уровнях. При выбивании электрона, например, с К-уровня возможен переход электронов с L - уровня (появляется Кa излучение). Или с М-уровня (появляется Кb - излучение). При этом возникает наиболее коротковолновая К-серия рентгеновского спектра. Если вакансия возникает на L- уровне, появится L-серия и т. д. • Для возникновения всей серии необходимо возникновение электронной вакансии на данном энергетическом уровне атома. • Чтобы летящий к аноду электрон мог выбить электрон данного уровня, его энергия должна быть равна или больше энергии связи электрона уровня с ядром. • Относительная интенсивность линий спектра определяется вероятностью перехода между уровнями. • Для наиболее часто используемой К-серии отношения Ia 1 : Ia 2 : I b 1 = 100: 50: 20, • Абсолютная интенсивность спектральных линий зависит от тока I , проходящего через трубку, и от напряжения U.

Длины волн К-серии для некоторых элементов.

Поглощение Р. Л. Рентгеновские лучи поглощаются в той или иной степени всеми веществами, через которые они проходят. Доля энергии лучей, поглощенной в веществе, зависит от толщины поглощающего слоя, природы вещества и длины волны лучей. Рентгеновские лучи теряют при прохождении через вещество часть своей энергии вследствие двух процессов: 1. истинного поглощения, т. е. вследствие превращения энергии их фотонов в другие виды энергии; 2. рассеяния, т. е. изменения направления их распространения.

Поглощение Р. Л.

Линейный коэффициент поглощения. Л. К. П. обычно измеряется в см -1.

массовый коэффициент поглощения Отношение линейного коэф-та погл-я к плотности вещества m*=m/r называется массовым коэффициентом поглощения. М. К. П. не зависит от агрегатного состояния и температуры в-ва, а только от типа атомов. Массовый коэффициент поглощения хим. соединения можно выразить через массовые коэффициенты поглощения хим. элементов и их содержание W в соединении: М. К. П. обычно измеряется в СМ 2/Г.

Mass Absorption (cm 2/g) and Densities (g/cm 3) for elements for Cu Ka radiation (l = 1. 542Å ) Absorber µ* cm 2/g r (g/cm 3) H 0. 3912 0. 08375 x 10 -3 Li 0. 477 0. 533 N 7. 142 1. 165 x 10 -3 O 11. 03 1. 332 x 10 -3 F 15. 95 1. 696 x -3 Na 30. 3 0. 966 Mg 40. 88 1. 74 Al 50. 28 2. 7 Si 65. 32 2. 33 K 148. 4 0. 862 Ca 171. 4 1. 53

Пример расчета массового коэффициента поглощения соединения µ* for the mineral kaolinite - Al 2 Si 2 O 5 (OH)4, using Cu. K a m* = S m*i W i Constituent Elements Atomic Weight % in Kaolinite µ* cm 2/g µ* (wt%) H x 4 4 1. 6 0. 3912 0. 01 Al x 2 54 20. 9 50. 28 10. 5 Si x 2 56 21. 7 65. 32 14. 17 O x 9 144 55. 8 11. 03 6. 15 Totals 258 100 127 30. 8

Регистрация дифрактограмм поликристаллов 2 di hkl * Sin. Qi = nl Счетчик импульсов Р. трубка Фокусирующие щели монохроматор проба Схема дифрактометра с фокусировкой по Брэггу-Брентано Рентгеновский дифракционный спектр поликристаллического в-ва