Рентгеновское излучение

Рентгеновским излучением называют электромагнитные вол­ны с длиной приблизительно от 80 до 10⁵ нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым g-излучением. По способу получения рент­геновское излучение подразделяют на тормозное и характе­ристическое.

§ 26.1. Устройство рентгеновской трубки. Тормозное рентгеновское излучение

Наиболее распространенным источником рентгеновского излу­чения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор (рис. 26.1). Подогревный ка­тод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикато­дом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить воз­никающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой поряд­ковый номер в таблице Менделеева, например из вольфрама. В от дельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего мож­но достигнуть, фокусируя электроны в одном месте анода (антикатода). Поэтому конструктив­но приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой сторо­ны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных техниче­ских решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 26.2).

В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентге­новское излучение.

Механизм его можно пояснить следующим образом. С движу­щимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индук­ция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на созда­ние фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным (сплошным) спектром. На рис. 26.3 представлены зависимости потока рентге­новского излучения от длины волны l (спектры) при разных на­пряжениях на рентгеновской трубке: U₁ <U₂<U₃.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное из­лучение, соответствующее длине волны l_min, возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

откуда

Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практи­ческих целей выражение:

где l_min — минимальная длина волны, 10 ¹⁰ м; U — напряжение, кВ. Формула (26.3) соответствует рис. 26.3.

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и на­зывается жестким, а длинноволновое — мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, увеличивая долю жесткой ком­поненты, как это видно из рис. 26.3 и формулы (26.3).

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмис­сия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 26.4 по­казаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: 1_н1 < /_н2.

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле

где U и I — напряжение между электродами и сила тока в рентге­новской трубке, Z — порядковый номер атома вещества антика­тода, k = 10^-9 В^-1 — коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I_н, изо­бражены на рис. 26.5.

§ 26.2. Характеристическое рентгеновское излучение. Атомные рентгеновские спектры

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заме­тить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 26.6). Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выби­вают электроны. На свободные места переходят электроны с верх­них уровней (рис. 26.7), в результате высвечиваются фотоны ха­рактеристического излучения.

Как видно из рисунка, характерис­тическое рентгеновское излучение состоит из серий К, L, М и т. д., наименование которых и послужило для обозначения электрон­ных слоев. Так как при излучении Jf-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии дру­гих серий.

В отличие от оптических спектров характеристические рентге­новские спектры разных атомов однотипны. На рис. 26.8 показа­ны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что харак­теристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:

где v — частота спектральной линии, Z — атомный номер испус­кающего элемента, А и В — постоянные.

Экспериментальные зависимости рис. 26.8 иллюстрируют за­кон Мозли (серии К, L, М, по оси абсцисс отложена длина волны

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О₂ и Н₂О, в то время как оптические спектры этих соедине­ний существенно различны. Эта особенность рентгеновского излу­чения атома послужила основанием и для его названия (характе­ристическое).

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от при­чины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. § 27.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

§ 26.3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации¹ А_и имеют место три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеяние.Рассеяние длинно­волнового рентгеновского излучения происходит в основном без из­менения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А_и.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излуче­ния и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защи­ты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодейст­вия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. § 19.7).

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона).В 1922 г. А. X. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пуч­ка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассе­янного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассея­ние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона.