Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Содержание лекции
1. Источники рентгеновского излучения.
2. Тормозное рентгеновское излучение.
3. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли.
4. Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине.
Рентгеновское излучение - электромагнитные волны с длиной волны от 100 до 10-3 нм.
На шкале электромагнитных волн рентгеновское излучение занимает область между УФ-излучением и γ-излучением. Рентгеновское излучение (Х-лучи) открыты в 1895 г. К. Рентгеном, который в 1901 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
Источники рентгеновского излучения
Естественными источниками рентгеновского излучения являются некоторые радиоактивные изотопы (например, 55Fe).
Искусственными источниками мощного рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки (рис.1).
Рис. 1.Устройство рентгеновской трубки
Рентгеновская трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с двумя электродами: анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение U (1-500 кВ). Катод представляет собой спираль, нагреваемую электрическим током. Электроны, испущенные нагретым катодом (термоэлектронная эмиссия), разгоняются электрическим полем до больших скоростей (для этого и нужно высокое напряжение) и попадают на анод трубки. При взаимодействии этих электронов с веществом анода возникают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.
|
|
|
Рабочая поверхность анода расположена под некоторым углом к направлению электронного пучка, для того чтобы создать требуемое направление рентгеновских лучей. Кроме того, чтобы не допустить перегревания анода необходимо обеспечить перераспределение электронов по его плоскости. Для этого используется рентгеновская трубка с вращающимся анодом.
В рентгеновское излучение превращается примерно 1 % кинетической энергии электронов. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Поэтому рабочая поверхность анода выполняется из тугоплавкого материала.
Тормозное рентгеновское излучение
Электрон, летящий с катода, попадает внутрь анода и начинает тормозиться ионами вещества, находящимися в узлах кристаллической решетки (они стремятся притянуть его к себе, так как ионы имеют положительный заряд), а также «пробираясь» через облако свободных электронов, которое находится в пространстве между узлами (электрон из облака отталкивает влетевший в анод с катода электрон. Они оба заряжены отрицательно).
Электрон, движущийся в некоторой среде, теряет свою скорость. Он движется с отрицательным ускорением (тормозится). Согласно теории Максвелла, любое ускоренное (положительное ускорение или отрицательное, это безразлично) движение заряженной частицы сопровождается электромагнитным излучением.
|
|
|
Излучение, возникающее при торможении электрона в веществе анода, называют тормозным рентгеновским излучением.
Свойства тормозного излучения определяются следующими факторами.
ü Излучение испускается отдельными квантами, энергии которых связаны с частотой формулой
, где ν - частота, λ - длина волны. (1)
ü Все электроны, достигающие анода, имеют одинаковую кинетическую энергию, равную работе электрического поля между анодом и катодом
, (2)
где е– заряд электрона, U– ускоряющее напряжение.
ü Кинетическая энергия электрона частично передается веществу и идет на его нагревание (Q), а частично расходуется на создание рентгеновского кванта:
, (3)
причем соотношение между Q и hv случайно.
В силу последнего свойства кванты, порожденные различными электронами, имеют различные частоты и длины волн. Поэтому спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным. Типичный вид спектральной плотности потока рентгеновского излучения показан на рис.2.
|
|
|
Со стороны длинных волн спектр ограничен длиной волны 100 нм, которая является границей рентгеновского излучения. Со стороны коротких волн спектр ограничен длиной волны λmin. Минимальной длине волны соответствует случай, когда Q = 0 т.е. кинетическая энергия электрона полностью переходит в энергию кванта:
, (4)
| Рис. 2. Спектр тормозного рентгеновского излучения |
. (5)
Принимая постоянные значения для заряда электрона и скорости света, полученную формулу преобразуют в более удобный практичный вариант:
,где 
. (6)
Величина длины волны рентгеновского излучения обуславливает его проникающую способность, а тем самым и величину энергии:
коротковолновое излучение (жесткое) обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое).
Или можно сказать, что ЖЕСТКОЕ излучение обладает большей энергией ( частота излучения больше), а МЯГКОЕ – меньшей энергией ( частота излучения меньше)
Расчеты показывают, что поток Φ тормозного рентгеновского излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:
|
|
|
, где k~10-9 В-1. (7)
| Рис. 2.Спектр тормозного излучения |
Рис.3.Спектр тормозного рентгеновского излучения (Φλ):
а - при различном напряжении U в трубке;
б - при различной температуре T катода;
в - при различных веществах анода отличающихся атомным номеромZ.
При увеличении анодного напряжения значение λmin смещается в сторону коротких длин волн. Одновременно возрастает и высота спектральной кривой (рис. 3, а).
При увеличении температуры катода возрастает эмиссия электронов. Соответственно увеличивается и ток I в трубке. Высота спектральной кривой увеличивается, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 3, б).
При изменении материала анода высота спектральной кривой изменяется пропорционально атомному номеру Z (рис. 3, в).
Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли
При взаимодействии катодных электронов с атомами анода наряду с тормозным рентгеновским излучением возникает рентгеновское излучение, спектр которого состоит из отдельных линий. Это излучение имеет следующее происхождение.
При увеличении напряжения на рентгеновской трубке некоторые катодные электроны проникают вглубь атома и выбивают электроны с его внутренних оболочек. Образовавшиеся при этом вакантные места заполняются электронами с верхних уровней , в результате чего испускаются кванты характеристического рентгеновскогоизлучения. Это излучение содержит дискретный набор частот, определяемый материалом анода, и называется характеристическим излучением.
Полный спектр рентгеновской трубки представляет собой наложение характеристического спектра на спектр тормозного излучения (рис. 4)
| Рис. 4.Спектр характеристического излучения |
Исследовав характеристические спектры различных химических элементов, Г. Мозли (1913 г.) установил следующий закон, связывающий характеристические спектры с зарядом ядра атома:
(8)
где ν - частота спектральной линии, Z - атомный номер испускающего элемента, А, В– константы для каждого конкретного элемента.
Рис. 4. Закон Мозли позволяет определить атомный номер химического элемента по наблюдаемому спектру характеристического излучения. Это сыграло большую роль при размещении элементов в периодической системе.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!