Получение рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи – это электромагнитные колебания в диапазоне длин волн 10^-2 ÷ 10² (1 = 1 Ангстрем = 10^{-10 м} ), соответствующими частотами колебаний Гц и энергией кванта излучения Эв. На шкале электромагнитных волн рентгеновские лучи находятся между ультрафиолетовым излучением и гамма излучением (рис. 1).

Источниками рентгеновского излучения являются многие небесные тела (Солнце), плазма (высоко- и низкотемпературная), рентгеновское излучение высокой интенсивности возникает при ядерных взрывах. Некоторые радиоактивные вещества являются источниками излучения в рентгеновском диапазоне – явление К-захвата.

Рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия электронных пучков с атомами мишени. Наиболее распространенным устройством для получения электронных пучков является электронная пушка (рис. 2). V-образный металлический катод разогревается специальным источником тока. Между катодом и анодом создается разность потенциалов . Форма анода выбирается такой, чтобы электрическое поле было резко неоднородным. Наибольшее ускорение электроны получают в области, прилегающей к катоду, и, пролетая через специальное отверстие в аноде, создают электронный пучок.

При этом осуществляется два механизма, по которым полный спектр рентгеновского излучения разделяется на две составляющие: сплошной (или тормозной) и дискретный (или характеристический).

Возникновение тормозного спектра обусловлено торможением (изменением импульса) электронов (или других заряженных частиц) в результате их взаимодействия с электрическим полем атомного ядра, полем атомных электронов, на которых происходит торможение. Интенсивность тормозного излучения является непрерывной функцией длины волны (рис.3) и зависит от ряда факторов: напряжения на трубке V, атомного номера элемента анода Z, величины анодного тока и угла , образуемого рентгеновским лучом с направлением летящих электронов: . Со стороны коротких длин волн спектр ограничен минимальной длиной волны , определяемой условием

. (1)

– длина волны, соответствующая рентгеновскому излучению с максимальной интенсивностью, примерно равна . Следовательно, с увеличением ускоряющего напряжения и , и смещаются в область коротких волн, при этом энергия увеличивается.

Следует подчеркнуть, что коротковолновая граница тормозного спектра ₀ не зависит от природы мишени и определяется только величиной ускоряющего напряжения (рис.4).

Если энергия бомбардирующих частиц или, что то же самое, величина ускоряющего напряжения, не превышает некоторого, характерного для данного вещества мишени значения, возникает только тормозное излучение.

При увеличении ускоряющего напряжения выше некоторого критического значении энергия электронов превышает энергию ионизации атомов мишени. При этом рентгеновское излучение возникает в веществе мишени, бомбардируемой пучком электронов, и на фоне непрерывного тормозного спектра появляются узкие интенсивные линии. Это излучение было открыто в 1906 английским физиком Ч. Баркла[1] и получило название характеристического, поскольку оно характеризует вещество (точнее, строение внутренних оболочек атомов вещества). Каждый элемент дает определенный, только ему присущий характеристический спектр, независимо от того, находится ли он в свободном виде или входит в состав химического соединения. От величины ускоряющего напряжения зависит лишь интенсивность линий, но не их положение. Спектр характеристического рентгеновского излучения (подобно оптическому) зависит от структуры возбуждаемых атомов мишени.

Энергия кванта характеристического рентгеновского излучения определяется переходом электрона с одного энергетического уровня в атоме (например, с уровня ) на другой энергетический уровень ()

(2)

С уменьшением номера соседних уровней возрастает разница энергий между ними. Следовательно, для получения характеристического рентгеновского излучения необходимо возбуждать внутренние оболочки атома. Если возбуждается К -оболочка, то есть электрон выбивается с самого нижнего уровня, то излучается К -серия, если L -оболочка, то L -серия и т. д. На рис. 5 приведена схема наиболее интенсивных линий K - и L -серии. Для получения линий этих серий необходимо возбудить соответствующие атомные оболочки (орбитали), для этого в подавляющем большинстве случаев используется электронный пучок с энергией электронов, превышающей энергию ионизации (возбуждения) соответствующего уровня.

Механизм возникновения характеристического рентгеновского излучения можно представить следующим образом. Если энергия падающего на вещество электрона достаточно велика, он может передать свою энергию одному из электронов внутренних оболочек и выбить его из атома. В результате атом окажется в ионизированном возбужденном состоянии (наиболее низкое вакантное состояние имеет место тогда, когда вакансия окажется в - оболочке (рис. 6)).

В это состояние может перейти электрон из менее глубокого слоя и т.д. Разность энергий начального и конечного состояний электрона будет излучаться в виде фотона с энергией одной из линий характеристического излучения. При переходе с на - оболочку будет излучаться - линия, с на - оболочку – излучается - линия и тому подобные линии - серии, граница которой соответствует переходу свободного (находящего вне атома) электрона с на вакантное место в - слое. Переходы электронов на вакантное место в - оболочке сопровождаются испусканием квантов - серии и т.д.

Характеристическое рентгеновское излучение (как и оптические спектры) зависят только от структуры атомов. Зависимость частоты характеристического излучения от порядкового номера элемента определяется законом Мозли[2]:

, (3)

где – постоянная Ридберга, – постоянная экранирования, зависящая от структуры атома, – главное квантовое число.

В соответствии с законом Мозли должен линейно меняться с увеличением , что полностью соответствует эксперименту. Естественно, зависимость из серий (K, L, M и т. д.) определяется различными прямыми.

Для возбуждения флуоресцентного рентгеновского излучения вместо пучка Электронов может быть использовано и рентгеновское излучение с частотой, превышающей частоту возбуждаемого рентгеновского излучения.