Спектр характеристического излучения

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

При напряжении между катодом и анодом в несколько десятков кВ на фоне сплошного спектра тормозного излучения для отдельных очень узких интервалов длин волн наблюдается резкий рост излучательной способности (рис.4, пики Cu-Кα, Cu-К_β). Такие энергетические пики называются линиями. Совокупность и положение линий определяется материалом «зеркала» анода и образует характеристический рентгеновский спектр данного материала. Особенность этих спектров в том, что, во-первых, их структура при переходе от одного химического элемента к другому не меняется; во-вторых, независимо от того находятся атомы в свободном состоянии или входят в состав соединения рентгеновские спектры будут идентичными – отсюда и название характеристические – характерные; и, в третьих, характеристическое излучение появляется только в том случае, если напряжение на трубке превысит некоторую, определенную, зависящую от материала зеркала анода величину, которая называется потенциалом возбуждения. Диапазон энергий рентгеновских квантов (от 10² до 10⁶ эВ), а также анализ структуры и особенностей рентгеновских спектров позволяет сделать вывод, что возникают они вследствие квантовых переходов, которые совершают электроны внутренних слоев атома. Эти слои являются полностью заполненными, поэтому рентгеновский квант может возникнуть только в том случае, если на одной из внутренних оболочек появится свободное место. Механизм возникновения характеристических спектров в рентгеновской трубке был предложен Косселем в 1914 г. Падающий пучок электронов выбивает, например, из К-слоя разных атомов электроны. На эти возникшие вакантные места могут перейти электроны уровней L, M, N, О и т.д. При этом будут испущены кванты электромагнитного излучения с энергией:

hν _i = E _i - E_k. (6)

Cовокупность частот испускаемых при переходе на уровень К образует К-серию рентгеновского спектра (рис.5), линии которой в порядке возрастания частоты обозначаются индексами α, β, γ, δ, т.е. переходу соответствует К_α-линия; – К_β-линия и т.д. Аналогично образуются и другие серии: L-серия (L_α, L_β, L_γ, L_δ); М-серия (М_α, М_β, М_γ, М_δ) и т.д. Рентгеновские спектры однотипны, т.к. внутренние оболочки у разных атомов одинаковы и отличаются лишь по энергии, которая для внутренних оболочек пропорционально и незначительно возрастает с ростом атомного номера.

Мозли установил простой закон, связывающий частоты соответствующих спектральных линий с атомным номером материала анода:

, (7)

где – постоянная, которая имеет разные значения для разных линий: С_α ≠ С_β ≠ С_γ ≠ С_δ , но одинаковые для данной линии разных элементов: С_Cu-Кα = С_Co-Кα = С_W-Кα = С_Fe-Кα …; σ – постоянная экранирования, имеет разные значения для каждой серии σ_K ≠ σ_L ≠ σ_M ≠ σ_N, но не меняется при переходе от одного химического элемента к другому, например, для К – серий всех элементов σ = 1, для L – серий σ = 7,5

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Рентгеновское излучение при прохождении через любое вещество теряет часть своей энергии: либо в результате истинного поглощения, т.е. вследствие превращения энергии электромагнитного поля в другие виды энергии; либо в результате рассеяния, когда из просвечиваемого объекта исходят лучи, не совпадающие по направлению с первичным пучком.

Поглощение описывается законом Бугера-Ламберта:

J = J₀ e^{-μ l} , (8)

где J₀, J – интенсивности пучка на входе в вещество и на выходе из него, соответственно; l – толщина слоя; μ – линейный коэффициент ослабления:

μ = k λ³ Z⁴ ρ, (9)

где λ – длина волны рентгеновского излучения, Z и ρ – атомный номер и плотность вещества-поглотителя, соответственно

На практике в качестве характеристики поглощательной способности вещества удобно использовать массовый коэффициент ослабления – μ_m = μ /ρ, который не зависит от физического состояния вещества. В этом случае для воды, пара и льда коэффициент ослабления будет иметь одно и тоже значение. Для оценки поглощательной способности удобно использовать величину, называемую слоем половинного поглощения. Это толщина слоя данного вещества – Δ, которая уменьшает первоначальную интенсивность вдвое – J_Δ = J₀/2.

J_Δ = J₀ е^-μΔ, откуда Δ = ln2/μ = 0,693/μ. (10)

Изучение спектрального состава рассеянного рентгеновского излучения показывает, что в нем имеются длины волн, равные первичному излучению (когерентное рассеяние), а также длины волн большие, чем падающие (некогерентное рассеяние). Кроме того, могут наблюдаться длины волн, соответствующие характеристическому спек

тру просвечиваемого вещества.