Часть 5 АТОМНАЯ ФИЗИКА

Раздел 15 СТРОЕНИЕ АТОМА

15.11. Рентгеновское излучение

Излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном и назван в его честь рентгеновским, сыграло большую роль в исследованиях строения электронных оболочек и свойств сложных атомов, при изучении строения молекул, а особенно кристаллической решетки твердых тел. Рентгеновское излучение возникает при торможении веществом быстрых электронов вследствие преобразования кинетической энергии этих электронов в энергию электромагнитного излучения. Рентгеновское излучение - это электромагнитное излучение, характеризуется очень короткими длинами волн от 0,1 до 80 нм. Напомним, что длина волны коротких фиолетовых лучей, которые воспринимаются глазом, равен 400 нм.

Для получения рентгеновского излучения используют специальные электровакуумные приборы - рентгеновские трубки. Они состоят из вакуумированного стеклянного или металлического корпуса, в котором на определенном расстоянии друг от друга находятся катод и анод. Катод является источником электронов, а анод (антикатод) - источником рентгеновского излучения. Между катодом и анодом создается сильное электрическое поле, которое ускоряет электроны. В нем электроны приобретают энергии 10⁴...10⁵ эв.

Электроны, вылетающие из катода, вступают между катодом и анодом очень больших скоростей. Ударяясь в поверхность анода (антикатода) испытывают торможение, вследствие чего излучают рентгеновские лучи. Поэтому это излучение называют тормозным. При торможении электронов, как правило, не вся энергия идет на излучение, а часть ее расходуется для нагрева антикатода. Энергия электронов, которую они приобретают в электрическом поле трубки, определяется разностью потенциалов на электродах рентгеновской трубки.

Поскольку потеря энергии электронов на нагрев антикатода разная, то излучаются кванты различной энергии. Поэтому спектр тормозного рентгеновского излучения получают сплошной.

Как показывает опыт, существуют два типа рентгеновского излучения. Первый тип называют белым рентгеновским излучением. Ему присущ сплошной спектр, подобный спектру белого света, отсюда и название этого излучения. Сплошной рентгеновский спектр ограничен со стороны коротких длин волн некоторой наименьшей длиной волны λ_mип, которую называют предельной (коротковолновая граница сплошного спектра). На рис. 15.12 показаны сплошные спектры в случае вольфрамового антикатода для ряда значений разности потенциалов между электродами рентгеновской трубки (20, 25, 30, 35, 40, 50 кВ).

Рис. 15.12

С увеличением энергии электронов не лишь смещаются в коротковолновую область спектра граница спектра и максимум в спектре, но и быстро растет интенсивность излучения И.

Наличие границы λ_mип нельзя объяснить, исходя из классических представлений о природе рентгеновского излучения. Непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения с волновыми представлениями не должен быть ограниченным. Опыт показал, что предельная длина волны λ_mип обратно пропорциональна кинетической энергии K-электронов, которые обусловливают тормозное рентгеновское излучение. На основе квантовых представлений наличие λ_mип объясняется просто. Действительно, с точки зрения квантовых представлений, максимальная энергия hν_mах рентгеновского кванта, возникающего за счет энергии электрона, не может превышать этой энергии:

Переходя в формуле (15.31) от частоты к длине волны, получим

Формула (15.32) хорошо согласуется с опытными данными. В свое время она оказалась одним из самых точных методов экспериментального определения постоянной Планка h.

Соотношение (15.32) совпадает с уравнением Эйнштейна (13.13) для фотоэффекта, если в нем пренебречь работой выхода электрона из металла. Если фотоэффект вызван рентгеновским излучением, то в уравнении (13.13) работа выхода электрона из металла А_исх значительно меньше за энергию кванта hν и ею можно пренебречь. Фотоэффект и возникновение тормозного рентгеновского излучения является взаємооберненими явлениями.

Вторым типом излучения является характеристическое рентгеновское излучение. Его называют так потому, что оно характеризует вещество антикатода (анода) рентгеновской трубки. Спектр характеристического рентгеновского излучения - лінійчастий. Особенность этих спектров состоит в том, что каждый химический элемент дает определенный характеристический рентгеновский спектр независимо от того, возбуждается атом в свободном состоянии, или он входит до химического соединения. Спектры характеристического рентгеновского излучения существенно отличаются от оптических электронных спектров тех же атомов. Оптические спектры атомов зависят от того, находятся ли атомы в свободном состоянии, входят в состав химических соединений. Это обусловлено тем, что оптические лінійчасті спектры атомов определяются поведением внешних валентных электронов. При образовании химических связей состояние валентных электронов изменяется, что проявляется в оптических спектрах.

Характеристическое рентгеновское излучение возникает во время процессов, происходящих в глубинных, застроенных электронных оболочках атомов, которые не меняются, когда атом оказывается связанным в химическое соединение.

В 1913 г. Г. Мозли установил важную зависимость между длинами волн линий характеристического рентгеновского излучения и порядковым номером химических элементов, которые являются источниками рентгеновского излучения. Закон Мозли можно описать следующей формулой:

где - волновое число линии; R' - постоянная Ридберга, м^-1 (или см^-1); α и σ - некоторые постоянные, характеризующие серию линий характеристического рентгеновского спектра и вещество антикатода (анода). Для длин волн линий К_α Мозли получил такое соотношение:

Сравнивая (15.34) и (15.33), имеем, что для этих линий a = и σ = 1.

Применение закона Мозли до атомов химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева подтвердило закономерный рост электрического заряда ядра на единицу при последовательном переходе от одного элемента к другому. Это стало убедительным доказательством справедливости ядерного строения атома и периодического закона Д. И. Менделеева.

Рентгеновские лучи имеют большую проникающую способность, поскольку коэффициент поглощения их незначительный.

Поглощение рентгеновских лучей зависит от плотности вещества и длины волны. Коэффициент поглощения пропорционален кубу атомного номера и обратно пропорционален кубу частоты (ν³), поэтому легкие вещества существенно прозрачные для рентгеновских лучей, чем тяжелые. Поскольку частота колебаний пропорциональна напряжению, приложенному к рентгеновской трубки, то, следовательно, чем выше это напряжение, тем более проницаемыми, то есть более жесткими становятся рентгеновские лучи.

Таким образом, рентгеновские лучи широко применяются для просвечивания тел в медицине, металлургии, машиностроении и других отраслях науки и техники.

Для просвечивания более плотных веществ применяются рентгеновские аппараты более высокого напряжения (200 кВ и более). Для просвечивания различных частей человеческого тела применяются рентгеновские трубки с напряжениями на них от 30 до 60 кВ.