РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Особенности рентгеновского

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Особенности рентгеновского излучения Существенно большая проникающая способность Инертность по отношению к магнитным и электрическим полям Ничтожно малое преломление Специальная рентгеновская оптика

Вильгельм Конрад Рентген, директор Физического института при Вюрцбургском университете 1 -я Нобелевская премия (1901)

Г. Хага, К. Х. Винд – обнаружили дифракцию (1899) Ч. Баркла – доказал поляризацию (1904) У. Г. Брэгг – доказательства корпускулярной природы М. Фон Лауэ и П. Эвальд – идея о дифракции волн на кристалле

Далее. . . В. Фридрих, П. Книппинг – получили дифракционную картину сульфата меди, Лауэ – Нобелевскую премию 1914 г. Толкование дифракционной картины – Л. Брэгг и Г. В. Вульф принесло Брэггам Нобелевскую премию 1915 г.

Далее. . . 1906 г. Ч. Баркла – характеристическое рентгеновское излучение, давшее начало рентгеновской спектроскопии и Нобелевскую премию 1917 г. Г. Мозли – открыл закон, связывающий длину волны излучаемой линии с порядковым номером элемента, выяснил природу рентгеновского излучения (1913 г. , ему было 26 лет)

М. Сигбан – исследовал спектры почти всех химических элементов, развил теорию спектров, за что получил в 1924 году Нобелевскую премию Брэгг – способствовал применению нового метода для исследования «двойной спирали» ДНК К. Сигбан – открыл новый метод ЭСХА (Нобелевская премия 1981 г)

Для медиков 8 ноября 1895 года началась рентгенологическая эра в медицине Первый рентгеновский снимок (декабрь 1895) 1963 г – рентгеновская томография, Нобелевская премия по медицине ! 1979 г. А Кормак (физик) и Г. Хаундсфилд (инженер)

Рентгеновское излучение Занимает диапазон от 100 до 0, 01 нм (от 10 э. В до неск. Мэ. В) При длине волны меньшей 0, 2 нм обладает значительной проникающей способностью (ЖЕСТКОЕ излучение) При длине волны большей 0, 2 нм сильно поглощается веществом (МЯГКОЕ излучение)

Эмиссионные Абсорбционные (спектры испускания) поглощения) РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ Характеристические (линейчатые) Непрерывные (тормозной спектр)

Непрерывный рентгеновский спектр Возникает при торможении заряженных частиц (электронов) в кулоновском (электростатическом) поле ядер e- e-

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ренгтеновские спектры Теория характеристического излучения была разработана Косселем в 1916 году на основе боровской модели атома • Электроны атома находятся на K-, L-, M-, N- и т. д. Оболочках, которые делятся на подоболочки (I, III…) • При переходах электрона с оболочки на оболочку возникает излучение в рентгеновском диапазоне

Атомные оболочки и подоболочки Оболочка n l j=l+s K 1 0 1/2 LI 2 0 1/2 LII 2 1 1/2 LIII 2 1 3/2

MV MIII MI Электроны, Kβ 1 рентгеновское излучение LIII LI Kα 1 Kα 2 hν K Вакансия

На одной из внутренних оболочек возникает вакансия. Электрон улетает за пределы атома (фотоэлектрон). При этом атом ионизуется За счет чего? Например, за счет столкновения с ускоренными электронами из внешнего источника или рентгеновским излучением На вакантное место ( «дырку» ) через 10 -16– 10 -15 с переходят электроны из внешних оболочек. Разница в энергии при этом выделяется в виде кванта рентгеновского излучения

Характеристический рентгеновский спектр состоит из серий Серии расположены по MV возрастанию длин волн MIII MIV MII (по убыванию энергии) MI Kβ 1 К-серия самая LII ; LIII коротковолновая LI далее следуют L-, M-серии и т. д. K Kα 1 Kα 2

Характеристические линии Тормозной непрерывный спектр (континуум)

Закон Мозли Устанавливает зависимость между положениями линий в рентгеновском спектре и зарядом ядра

Таким образом, положение линий в спектре строго характерно для каждого элемента Это основа качественного элементного анализа

Источники рентгеновского излучения Радиоактивные источники (на основе К- захвата электрона из К-оболочки ядром) Рентгеновская трубка Поток электронов в электронном микроскопе (в одном приборе совмещают электронную микроскопию и рентгеновский анализ)

Рентгеновская трубка Вакуумированный баллон (10 -3 – 10 -4 Па) Вольфрамовая спираль, при нагревании которой испускаются электроны (термокатод) Массивная металлическая мишень (анод или антикатод из W, Mo, Cu) Между анодом и катодом приложено небольшое ускоряющее напряжение Быстро движущиеся электроны попадают на анод и возбуждают рентгеновское излучение, которое выходит из рентгеновской трубки через специальное бериллиевое окно

Рентгеновская трубка с термокатодом

Монохроматизация (разложение в спектр) рентгеновского излучения Основана на явлении дифракции рентгеновских лучей Дифракция лучей на решетке описывается уравнением

где m — целое число (порядок дифракции) d — постоянная решетки — угол падения луча с длиной волны Для рентгеновских лучей с длиной волны порядка 10 -9 м (предположив m = 1 и нормальный угол падения) получим d порядка 10 -9 м Эта величина соответствует межплоскостным расстояниям в кристалле Таким образом, для разложения рентгеновского излучения в спектр используют специальные кристаллы-анализаторы

Условие Вульфа-Брэгга

Рентгеновский монохроматор, установленный на круге Роуланда

Регистрация рентгеновского излучения Все методы основаны на ионизации вещества под действием рентгеновского излучения или сцинтилляции Фотографический способ Ионизационная камера и счетчик Гейгера-Мюллера Пропорциональный счетчик Сцинтилляционный счетчик Полупроводниковый Si-Li детектор

Пропорциональный счетчик

Полая металлическая трубка, по оси которой натянута тонкая проволока Между катодом и анодом прикладывают напряжение 2 к. В Заполнена газом (Р 10 – 10% метана в аргоне) Рентгеновское излучение попадает через боковое прозрачное окно Рентгеновское излучение ионизирует газ Ионы двигаются к электродам, по пути ионизируя другие атомы газа (газовое усиление) В цепи течет ток, на сопротивлении возникает напряжение, пропорциональное энергии фотона

ЗАДАНИЕ В качестве кристаллов для спектрометров часто используют кварц с межплоскостным расстоянием 0. 425 нм. Для первого порядка отражения и угла падения лучей 30 градусов рассчитать длину волны дифрагирующего излучения.