Материал: Бодунов Физика учебник

ником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка (рис. 3.3). Она представляет собой вакуумный баллон с двумя электродами – катодом К и анодом А. Катод К нагревается током, создаваемым разностью потенциалов Uh, и испускает (вследствие термоэлектронной эмиссии) электроны. Они ускоряются в электрическом поле, создаваемом между катодом и анодом высокой разностью потенциалов Ua.

Мишенью для электронов является анод А (его часто называют антикатодом), который изготавливают из тяжелых металлов (W, Cu, Ag, Pt и др.). При резком торможении электронов на аноде возникает рентгеновское излучение. При этом в излучение превращается примерно 1–3% энергии электронов. Остальная часть энергии выделяется в виде теплоты, поэтому в мощных трубках анод интенсивно охлаждается (система охлаждения С).

Рентгеновское

излучение

Возникающее в рентгеновской трубке излучение называется тормоз-

ным рентгеновским излучением.

На рис. 3.4 приведены спектры этого излучения для разных значений энергии электронов Е. Как видно из рисунка, тормозное излучение имеет сплошной спектр (P(λ) – относительная интенсивность излучения). Его важная особенность – наличие коротковолновой границы λmin (длина волн λ1, λ2 и λ3 на рис. 3.4), существование которой объясняется квантовой природой излучения.

Действительно, излучение возникает благодаря энергии, теряемой электроном при торможении. Согласно закону сохранения энергии энергия излучаемого кванта (рентгеновского фотона) hν не может быть больше энергии электрона E:

hν ≤ Е.

71

Здесь ν – частота рентгеновского излучения. Таким образом, для длины волн излучения должно выполняться неравенство

c hc ,

E

и, следовательно,

min hcE .

P( )

E1 = 50 кэВ

E2 = 40 кэВ

E3 = 30 кэВ

Рис. 3.4

При энергиях электронов Е1 = 50, Е2 = 40 и Е3 = 30 кэВ коротковолноваяграница λmin равна соответственно λ1 = 0,025, λ2 = 0,031 и λ3 = 0,041 нм.

Характеристическое рентгеновское излучение. Состояние электрона в атоме характеризуется главным квантовым числом n. Электроны с одинаковым значением главного квантового числа n образуют оболочки. Ближайшие к ядру оболочки обозначают латинскими буквами K (n = 1), L (n = 2), M (n = 3), N (n = 4), ... При столкновении с атомом быстрые электроны могут выбить электрон из внутренней оболочки атома. На образовавшееся вакантное место переходит электрон из более удаленных от ядра оболочек. Этот переход сопровождается излучением рентгеновского фотона, энергия которого равна разности энергии начального и конечного состояний электрона (hν = Eнач – Eкон). Следовательно, спектр возникающего излучения является линейчатым и определяется структурой электронных оболочек конкретного атома. В связи с этим такое рентгеновское излучение называют характеристиче-

ским.

72

При переходе электрона с оболочек L, M, N,… на оболочку K возникает спектральная K-серия, состоящая из линий, обозначаемых как Kα (пе-

реход L→K), Kβ (M→K), Kγ (N→K),… (рис. 3.5).

Рис. 3.5

Аналогично возникают и другие спектральные серии (L, M, N и O), наблюдаемые, впрочем, лишь для тяжелых элементов.

В 1913 г. Г. Мозли предложил формулу, являющуюся аналогом обобщенной формулы Бальмера для атома водорода и связывающую частоту ν характеристического рентгеновского излучения с атомным номером Z излучающего элемента (закон Мозли):

Здесь R = 0,329·1016 с–1 – постоянная Ридберга; σ – постоянная экранирования, определяемая структурой электронных оболочек атомов; n1 и n2 – главные квантовые числа начального и конечного состояний атома; Z – порядковый номер химического элемента в Периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Смысл постоянной экранирования σ состоит в том, что на электрон, совершающий переход с одной внутренней оболочки на другую, действует не весь заряд ядра Ze, а его часть (Z – σ)e, учитывающая экранирующее действие других электронов.

Рентгеновские спектры разных элементов похожи, так как возникают при переходах электронов между внутренними оболочками атомов, которые имеют сходное строение.

73

Отметим, что реальные рентгеновские спектры (рис. 3.6), как правило, представляют собой комбинацию тормозного и характеристического излучения.

P( )

Рис. 3.6

Практическое применение рентгеновского излучения основано на использовании его свойств.

Рентгеноструктурный анализ (определение атомной структуры кристаллических тел, строения пористых и мелкодисперсных материалов, сложных биологических объектов – вирусов, хромосом, молекул ДНК и т. п.) базируется на использовании дифракции рентгеновского излучения.

Рентгеновская дефектоскопия (обнаружение различных дефектов в материалах и конструкциях) основана на проникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощения в материалах.

Рентгеновский спектральный анализ (определение химического соста-

ва вещества) строится на использовании свойств характеристического рентгеновского излучения: его спектр определяется только структурой электронных оболочек конкретного атома и не зависит от типа соединения, в состав которого входит.

3.3. Люминесценция

Вторичное излучение и люминесценция. Взаимодействие электро-

магнитного излучения с веществом сопровождается испусканием вторичного электромагнитного излучения. Вторичное излучение может быть вызвано разными процессами: отражением, рассеянием, люминесценцией. Все виды вторичного излучения прекращаются после прекращения облучения кроме люминесценции.

74