Виды ренгеновского излучения и механизмы их образования. 
Спектры излучений

Рентгеновское излучение, возникающее при торможении быстрых электронов, называется тормозным. Возникновение тормозного излучения можно объяснить следующим образом. Движущиеся электроны, как и всякий электрический ток, образуют вокруг себя магнитное поле. Процесс резкого торможения электронов в веществе анода, равносилен ослаблению и исчезновению тока, что приводит к изменению магнитного поля, в результате чего и возникают электромагнитные волны. По теории Максвелла, такие тормозящиеся электроны должны излучать короткие электромагнитные волны. Тормозное рентгеновское излучение имеет сплошной спектр и поэтому часто называется «белым» излучением (по аналогии со сплошным спектром белого света).

По квантовой теории сплошной характер спектра тормозного излучения может быть объяснен следующим образом. Пусть кинетическая энергия электрона перед его соударением с анодом.

Eк = mv_о²/2=eЧU,.

где U — напряжение на рентгеновской трубке, е — заряд электрона, m — масса электрона, v_о — начальная скорость. В процессе соударения часть этой энергии Т превращается в тепло, тогда энергия фотона рентгеновского излучения.

hn=(mЧv_о²/2)-Т Так как при случайных соударениях величина Т может иметь различное значение, то и hn может быть различной. Следовательно, в тормозном рентгеновском излучении могут присутствовать фотоны с различными частотами, и спектр его будет непрерывным, Спектр тормозного излучения определяется напряжением, приложенным к трубке, и не зависит от вещества анода. Распределение интенсивности тормозного излучения по длинам волн l при различных напряжениях U на рентгеновской трубке приведено на рис. 12.

Рис. 12.

Из вида зависимостей можно сделать следующие выводы:

• 1. Сплошной спектр имеет резкую границу со стороны коротких длин волн — л_min (3).
• 2. С увеличением напряжения, приложенного к трубке, весь спектр смещается в сторону коротких длин волн.
• 3. С увеличением напряжения, приложенного к трубке (и следовательно кинетической энергии электронов), возрастает как интенсивность любой длины волны, так и интегральная интенсивность (т. е. полное излучение во всем диапазоне длин волн).

Таким образом, при увеличении кинетической энергии Е_к электронов, коротковолновая граница л_min уменьшается. Эмпирический анализ зависимости между Е_к и л_min показал, что Е_к = eU = const / л_min

Истолкование соотношения на основе представлений о свете как о волнах невозможно. По теории Максвелла, спектр излучения тормозящегося электрона должен иметь сплошной характер без ограничения со стороны коротких длин волн. Объяснение этого соотношения может быть получено лишь на основе квантовых представлений.

При торможении электрона часть его энергии излучается в виде кванта электромагнитного излучения. Какая часть энергии электрона перейдет в излучение зависит от степени торможения (например, от того, как близко электроны проходят от ядра). Чем большая энергия теряется при торможении, тем больше частота n и тем меньше, соответственно, длина волны кванта. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта. Следовательно, поскольку при этом вся кинетическая энергия электрона перейдет в электромагнитную, т. е. образуется один квант с энергией hn_max, то:

hn_max = eU ® eU = hc/l_min ® l_min = hc/eU.

Подставляя в это уравнение численные значения для постоянных c, e, h, получим следующее соотношение: л_min (нм)=1.238/U (кВ) Т. е. действительно, л_min зависит только от напряжения, приложенного между анодом и катодом рентгеновской трубки.

Расчет интегральной интенсивности (I_инт) тормозного излучения, который был проведен на основе квантовых представлений, приводит к формуле.

I_инт = k i ZU²,.

где i — сила тока в рентгеновской трубке, Z — порядковый номер материала анода, U — разность потенциалов, приложенная к трубке, k — коэффициент пропорциональности. Таким образом, интегральная интенсивность рентгеновских лучей, возникающих в некотором объеме анода в каждый данный момент, пропорциональна току (т.е. количеству электронов, пролетающих в трубке), квадрату напряжения и атомному номеру вещества анода.

Этот вывод имеет практическое значение при выборе вещества анода для рентгеновской трубки. Для трубок, в которых получается сплошной спектр, аноды изготовляются чаще всего из вольфрама (Z_W = 74), имеющего высокий порядковый номер, а следовательно большую интенсивность тормозного спектра.

Коэффициент полезного действия (КПД) возбуждения рентгеновских лучей чрезвычайно мал: он составляет всего лишь примерно 1%, а остальные 99% представляют собой энергию летящих электронов, переходящую в тепловую энергию.

Таким образом, спектральный состав тормозного излучения меняется только с изменением напряжения, приложенного к трубе, и не зависит от вещества анода. Последнее влияет лишь на величину интенсивности спектра тормозного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение.

Характеристическое излучение возникает в результате вырывания электронов с одной из близких к ядру оболочек атома (т. е. электронов, находящихся во внутренних слоях), которое осуществляется при ионизации быстрыми электронами атомов вещества анода. В атомах тяжелых элементов (например, платина, Z_Pt = 78), оболочки K, L, M, N заполнены. Электроны, находящиеся во внутренних слоях, испытывают сильное притяжение, обусловленное большой величиной заряда ядра, и вследствие этого оказываются сильносвязанными. Поэтому для удаления электронов из внутренних слоев необходимо затрачивать большую энергию. Например, для удаления электрона из K — оболочки платины требуется затратить энергию, равную 78Ч10³ эВ. Вот почему характеристические лучи возникают в результате бомбардировки веществ электронами большой энергии порядка 10⁴ эВ, а значит, возбуждение характеристического излучения происходит при вполне определенном для данного вещества напряжении на трубке U_о, которое называется потенциалом возбуждения. При всех напряжениях U > U_о на фоне сплошного спектра тормозного излучения будут присутствовать характеристические максимумы (рис. 13).

Рис. 13.

Повышение напряжения на трубке увеличивает интенсивность сплошного и характеристического излучений, но положение характеристических максимумов и соотношение их интенсивностей остаются неизменными.

Итак, характеристическое рентгеновское излучение образуется в результате взаимодействия падающих электронов с электронами внутренних оболочек атомов в веществе. Атом возвращается в обычное состояние в результате перехода электрона с наружной оболочки на вакансию во внутренней, теряя энергию на генерацию кванта рентгеновского излучения.

Как известно, электроны атома находятся на дискретных энергетических уровнях, описываемых квантовыми числами атома. Ограничения, накладываемые на эти квантовые числа, допускают наличие одного энергетического уровня для K-оболочки (n=1), трех энергетических уровней для L-оболочки (n = 2), пяти энергетических уровней для M — оболочки (n=3) и т. д., где n — главное квантовое число. Поскольку электроны находятся на дискретных энергетических уровнях, излучаемый рентгеновский квант будет также иметь дискретную величину энергий, равную разности энергии между начальным и конечным состояниями атома.

мембрана сердце электрокардиография кровь.

Таким образом, в процессе перестройки возбужденного атома он переходит в невозбужденное состояние путем заполнения электроном вакансии оболочки с меньшей энергией связи и в результате этого перехода выделяется энергия (рис. 14). Однако эта энергия может быть реализована не только в виде энергии рентгеновских квантов, некоторая часть может затрачиваться на то, чтобы удалить другие электроны атома, например, из L-оболочки.

Схема процесса возбуждения электронов, приводящего к образованию рентгеновского характеристического излучения или оже-электрона, приведена на рис. 15.

Подобно оптическим спектрам, рентгеновское характеристическое излучение состоит из нескольких серий, резко отличающихся по длине волны. Для тяжелых элементов найдено 5 таких серий линий, они обозначаются K, L, M, N, O. K-серия образована из волн, наиболее коротких, L-серия из более длинных, и т. д.

Рис. 15.

Название серий отражает их связь с соответствующими электронными оболочками атома.

K-серия характеристического рентгеновского излучения возникает в результате удаления из атома одного из K-электронов. Освободившиеся место занимает один из электронов, находящийся на более высоких уровнях энергии. В одних атомах это место занимает электрон, находящийся в L оболочке, в других атомах электроны M и N оболочек, так что вся K-серия возникает вся сразу.

Важно отметить, что если электрон имеет достаточную энергию для того, чтобы выбить электрон с оболочки K, то он может также выбить любые электроны с оболочки L или M. Следовательно, одновременно появляются все спектральные линии, которые возникают в результате электронных переходов на самые глубокие оболочки атома и на более удаленные. Обычно одновременно появляются все линии серий K, L, M.

Различные переходы осуществляются с различной вероятностью. Поэтому интенсивность различных линий в характеристическом спектре различна. Наиболее интенсивными оказываются переходы между стационарными состояниями, для которых изменение орбитального квантового числа Dl= ±1. Из всех линий K-серии наиболее интенсивной оказывается линия называемая K_a, возникающая в результате переходов электронов с L-оболочки на K-оболочку (рис. 15).

Отметим, что для K-серии разность уровней намного больше, чем для других серий, следовательно, образующиеся кванты имеют большую частоту, а следовательно меньшую длину волны.

Таким образом, несмотря на то, что оболочки L, M, K имеют больше одного энергетического уровня, правило отбора ограничивают число возможных переходов электронов, и вид спектра получается довольно простым с содержанием только несколько важных линий для каждого элемента.