Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рентгеновский спектр поглощения

Эксперимент показывает, что интенсивность пучка рентгеновских лучей уменьшается при прохождении через вещество, причем уменьшение интенсивности тем заметнее, чем больше толщина вещества. Это происходит из-за того, что рентгеновское излучение взаимодействует с электронами атомов вещества. Основными процессами взаимодействия являются рассеяние и фотоэлектрическое поглощение рентгеновских квантов.

Оба эти процесса носят вероятностный характер. Вероятность испытать взаимодействие тем больше, чем больше количество атомов лежит на пути кванта. Убыль квантов в параллельном пучке после прохождения слоя вещества толщиной определяется очевидным равенством

.

(8.7)

Здесь – число квантов, входящих в слой , – линейный коэффициент ослабления. Отсюда с учетом того, что интенсивность пучка пропорциональна количеству квантов, получаем

.

(8.8)

где – интенсивность пучка, падающего на вещество, – интенсивность этого пучка после прохождения слоя толщиной .

Коэффициент ослабления может быть представлен в виде

.

(8.9)

где – коэффициент рассеяния, а – коэффициент поглощения.

Характер рассеяния зависит от соотношения между энергией квантов и энергией связи электронов в атомах. В случае рассеяния на слабо связанных электронах имеет место эффект Комптона, при котором частота рассеянного излучения оказывается меньше частоты исходного излучения. При этом рассеяние на разных электронах происходит независимо. В случае же рассеяния квантов на сильно связанных электронах рассеянное излучение имеет ту же частоту, что и падающее, и когерентно с ним. Обычно рассеяние пренебрежимо мало по сравнению с поглощением.

Поглощение рентгеновских фотонов с энергией меньше 1 МэВ происходит за счет фотоионизации атомов. При этом из атома выбивается один из его внутренних электронов. Этот процесс происходит тем вероятнее, чем тяжелее атом. Коэффициент фотоионизационного поглощения в общих чертах описывается формулой

~

(8.10)

Из этой формулы следует, что коэффициент поглощения рентгеновских лучей возрастает с увеличением их длины волны. Так, например, мягкое тормозное излучение, возникающее в телевизионной трубке (V = 10 кВ), ослабляется в 1000 раз стеклом толщиной всего 1 мм. Рентгеновские же лучи, испускаемые рентгеновской трубкой при напряжении V = 50 кВ, проходят через такое стекло практически без ослабления. Для уменьшения их интенсивности в 1000 раз потребовалось бы стекло толщиной 10 см. Формула (8.10) показывает, что коэффициент поглощения очень быстро возрастает с увеличением атомного номера вещества. В частности, у свинца (Z = 82) он в 1600 раз больше, чем у алюминия (Z = 13). Поэтому для защиты от рентгеновских лучей применяют вещества с большим атомным номером, главным образом свинец.

Формула (8.10) передает лишь общий характер зависимости коэффициента поглощения от длины волны. Реальный спектр поглощения рентгеновских лучей веществом существенно сложнее. Типичный его вид показан на рис. 8.3.

Спектр состоит из сплошных полос, которые имеют резкие края (зубцы) со стороны больших длин волн.

Происхождение зубцов имеет простое физическое объяснение. При малых длинах волн, пока энергия фотонов больше энергии связи всех без исключения электронов, фотоионизация происходит в результате выбивания электронов из всех слоев (K, L, M, N,…) и коэффициент поглощения монотонно возрастает с увеличением . Как только достигает значения, при котором энергия фотонов станет меньше энергии связи К-электронов, их выбивание прекращается, и коэффициент поглощения скачкообразно уменьшается. Это соответствует резкому К-краю полосы поглощения. Следующие три зубца соответствуют трем разным значениям энергии связи ( ) электронов L-слоя, а группа из пяти зубцов – энергиям связи M-электронов ( ).

В спектрах поглощения тяжелых элементов возможно появление N- и O-зубцов.

Таким образом, рентгеновские спектры поглощения дают замечательную возможность непосредственно находить значения энергий связи внутренних электронов, а следовательно, и рентгеновские уровни энергии. Для этого достаточно измерить длины волн краев полос поглощения и вычислить энергии соответствующих фотонов.

Очевидно также, что для краев полос поглощения закон Мозли должен выполняться еще лучше, чем для линий характеристического спектра испускания. Действительно, для краев полос поглощения

,

откуда

,

(8.11)

причем есть константа. В эти соотношения входят постоянная экранирования и главное квантовое число n, относящиеся непосредственно к данному состоянию рентгеновского иона.

Рентгеновские спектры поглощения получают с помощью рентгеновского спектрометра, пропуская через исследуемое вещество тормозное рентгеновское излучение, имеющее сплошной спектр (рис. 8.4).

Рис. 8.4

В спектрометре спектр поглощения регистрируется фотопластинкой Пл., почернение которой при разных длинах волн легко трансформировать в график зависимости коэффициента поглощения от длины волны.