Praeinant pro nukreiptą spindulį rentgeno spinduliai per medžiagą spindulio intensyvumas išilgai pradinės krypties silpninamas dviem skirtingais būdais:
- 1. išnykus fotonui - vadinamoji tikroji absorbcija,
- 2. keičiant pradinę fotono kryptį - sklaidą. Rentgeno spindulių sklaidos reiškinys
visiškai analogiškas sklaidai, kurią patiria šviesa eidama per drumstą terpę. Vienintelis skirtumas yra tas, kad šviesos terpės „drumstumą“ sukelia pakankamai didelės joje suspenduotos dalelės, kurių lūžio rodiklis skiriasi nuo terpės lūžio rodiklio. Rentgeno spinduliams dėl mažo bangos ilgio bet kokia šviesai permatoma terpė yra „drumzlinta“. Šiuo atveju sklaidos centrai yra pačios medžiagos atomai arba molekulės. Panašus molekulinis išsklaidymas pastebimas ir šviesai. Bet tai labai silpnas poveikis šviesos atveju. Išsklaidymo klausimas bus išsamiau apsvarstytas kitame skyriuje.
Apsvarstykite intensyvumo / rentgeno spindulių, einančių per medžiagą ašies kryptimi, silpnėjimą NS. Ant medžiagos paviršiaus dedame NS= 0, / = / 0, o spindulio intensyvumas gylyje NS - 1 X. Nustatykite intensyvumo pokytį dl x rentgeno spinduliai pakeliui dx tarp taškų su koordinatėmis NS ir NS + dx. Akivaizdu, kad santykinis intensyvumo sumažėjimas bus proporcingas dx:
kur proporcingumo koeficientas p vadinamas linijiniu slopinimo koeficientu ir priklauso nuo absorbuojančios medžiagos ir rentgeno spindulio bangos ilgio. Iš (2.6) išplaukia, kad linijinio slopinimo koeficiento matmuo yra cm "1, o fizine prasme linijinis slopinimo koeficientas yra santykinis intensyvumo pokytis vieneto kelyje. Integruojant (2.6) NS, gauname rentgeno spindulių slopinimo dėsnį baigtinio storio sluoksniu NS:
Tačiau linijinio slopinimo dydis priklausys nuo faktinio medžiagos tankio. Pavyzdžiui, jei turime du vienodo storio ir vienodus egzempliorius cheminė sudėtis, tačiau skirtingo tankio, dėl to, kad vienoje iš jų yra porų, akytojo objekto linijinis slopinimo koeficientas bus mažesnis nei neporinio. Reikėjo įvesti vertę, kurią leistų nustatyti tik elementinė medžiagos sudėtis. Tokio koeficiento gavimo pagrindas buvo tas faktas, kad rentgeno spindulių fotoelektrinė absorbcija medžiagoje yra atominis procesas, o intensyvumo slopinimą galima apskaičiuoti ne atsižvelgiant į sluoksnio storį, bet į medžiaga (jos masė) apšvitinto tūrio.
Apsvarstykite rentgeno spindulį, kurio skerspjūvis yra 1 cm 2. Šio spindulio energija yra lygi intensyvumui /. Raskime tokio spindulio slopinimą, kai jis praeis per materijos masės vienetą. Jei p yra medžiagos tankis, tada pakeliui dx sudaro masędm = pdx. Santykinis intensyvumo pokytis kelyjedx , t.y. pravažiuojant mišiasdm , bus proporcingas šios masės vertei:
kur vadinamas proporcingumo koeficientas
masės slopinimo koeficientas. Iš (2.8) matyti, kad masės slopinimo koeficiento matmuo yra lygus cm 2 g “ ir pagal fizinę reikšmę masės slopinimo koeficientas yra santykinis medžiagos masės vieneto intensyvumo pokytis. Pažymėkime pluošto intensyvumą pravažiavus masę T skersai1 t ir mes gauname rentgeno spindulių slopinimo dėsnį baigtinės masės sluoksniuT:
Būdingas masės slopinimo koeficiento bruožas yra jo nepriklausomumas nuo fizinės medžiagos būsenos.
Kartu su linijiniais ir masės slopinimo koeficientais taip pat įvedamas atominis slopinimo koeficientasaš a kurio matmuo cm, tai yra santykinis spindulių pluošto, kurio skerspjūvis yra 1 cm 2, intensyvumo pokytis vienam atomui.
kurA yra atominis svoris, skaičiais lygus vieno gramo molio masei, aN A - Avogadro skaičius lygus atomų skaičiui gramatome ^ = 6,023x10 28 mol "1).
Rentgeno spinduliuotės absorbcijos ir sklaidos veiksmai gali būti laikomi nepriklausomais, todėl galime nustatyti atominio slopinimo koeficientą x a lygus tikrosios absorbcijos atominių koeficientų sumait a ir išsklaidymasir a:
Panašiai galima pavaizduoti silpnėjimo p t (q) masės arba linijinius koeficientus, lygius masės sumai, arba atitinkamai tiesinius absorbcijos t w (t) ir sklaidos a t (st) koeficientus.
Tikrosios absorbcijos atominio koeficiento padalijimas
x a pagal elektronų skaičių atome Z gauname tikrosios absorbcijos elektroninį koeficientą (te) *:
kur indeksasĮ rodo, kad (2.11) nustatytas elektroninis tikrosios absorbcijos koeficientas yra vidutinė visų atomo elektronų, įskaitant vidinius LG elektronus, vertė. Išraiška (2.11) galioja šiuo atveju X tie. tuo atveju, kai jie gali sugerti visus atomo elektronus.
Tikrasis atominis absorbcijos koeficientas gali būti laikomas dalinių atominių tikrųjų absorbcijos koeficientų suma x q individualiems lygiamsq atomas:
kurx q lemia tik vieno fotoelektrinis efektasq -atomo lygis. Todėl dalinis tikrosios absorbcijos atominis koeficientas yra efektyvus atomo skerspjūvio plotas, leidžiantis jonizuoti g lygį, užfiksuojant fotoną.
Mes žymime cheminė formulė sudėtinga medžiaga taip:
kurQi - elementų simboliai,NS ( - atomų skaičių molekulėje. Taip pat pristatome žymėjimą- atominis svoris u (t w), yra tikrosios elemento absorbcijos masės koeficientasQ h Atsižvelgiant į atskirų molekulių (medžiagų mišinio) atomų absorbcijos procesus, nepriklausomus vienas nuo kito, ir todėl, darant prielaidą, kad adityvumo dėsnis galioja tikriesiems (masės) absorbcijos koeficientams, randame molekulinės masės absorbcijos koeficientą:
kurM - molekulinė masė. Šią formulę galima pakeisti įvedant svorio koncentraciją C, =riiAJM elementaiQ (.
Gautą formulę patogu apskaičiuoti dujų mišinių, lydinių, kietų ir skystų tirpalų ir kt.
Pridėtumo įstatymo galiojimas patvirtinamas eksperimentu. Nukrypimai nuo šio įstatymo atsiranda tik smulkioje absorbcijos spektrų struktūroje (plačiau žr.).
Eksperimentiniai tyrimai parodė, kad visų lygių atomo absorbcijos koeficientas priklauso nuo atominio skaičiaus Z ir bangos ilgio X ir galioja apytikslė išraiška:
kurX cm, o koeficientas C priklauso nuo bangos ilgio srities ir kinta einant per reikšmesX k, X Lh Xsh ir taip toliau, susiję su tam tikrais bangos ilgiais, kai vis dar vyksta atitinkamų lygių jonizacija.
Tikrųjų absorbcijos koeficientų vertė priklauso nuo bangos ilgioX krintanti spinduliuotė ir elemento atominis skaičius. Jei šiam elementui kurti priklausomybesx a irx t nuoX (2.8 pav.), Paaiškėja, kad padidėjimasx a irx t didėjantX įvyksta netolygiai: pastebimi keli šuoliai, kai bangos ilgis, didėjant, praeina per kai kurias kiekvienai medžiagai skirtingas vertes, kurios yra atitinkamų absorbcijos juostų kraštai arba atomo ^ lygio absorbcijos slenksčiai (" d-absorbcijos kraštas "), kur galime gauti dvi reikšmes x t abipus šios sienos. Pažymėkime masės absorbcijos koeficientą nuo trumpojo bangos ilgio ribos nuoX d skersaix m (X q) 9 ir su ilga banga -x "m (X q), akivaizdu, kadx m (X i)> x "m (X q). Požiūris
vadinamas t lygio absorbcijos šuoliu. Intervalais tarp šuolių koeficientų padidėjimas paklūsta įstatymui X 3. Fig. 2.9 rodo priklausomybęx a nuo Z ikiX = 1A.
Ryžiai . 2.8.
Absorbcijos buvimas priklauso nuo priklausomybiųt t nuoX ir Z lemia, kad atliekant struktūrinius medžiagų tyrimus reikia pasirinkti spinduliuotę, nes jei krintančių spindulių bangos ilgis yra šiek tiek mažesnis už absorbcijos juostos kraštą Į -tiriamo elemento serija, tada dėl stiprios absorbcijos sumažėja ne tik difrakcinės spinduliuotės intensyvumas, bet ir atsiranda labai intensyvi fluorescencija, o tai smarkiai sumažina rentgeno spindulių difrakcijos modelio kontrastą, sukurdamas ant jo didelį foną. Panašus, bet šiek tiek silpnesnis poveikis pastebimas tiriant sunkius elementus, kai krintančių spindulių bangos ilgis yra šiek tiek mažesnis už absorbcijos juostos kraštą L- serija. Nuo tyrimų
Ryžiai. 2.9. Atominės absorbcijos koeficiento priklausomybėt a dėl medžiagos Z atominio skaičiausX = 1 A.
Kita vertus, dėl absorbcijos šuolių tampa įmanoma naudoti selektyviai sugeriančius ekranus (filtrus), kad būtų pakeista iš vamzdžio sklindančios spinduliuotės spektrinė sudėtis. Plačiausiai naudojamas P filtras, leidžiantis atskirti charakteringo spektro a liniją nuo pridedamo p. Rentgeno spindulių spektro intensyvumo pasiskirstymo pokytis, kai jis praeina per p filtrą, parodytas fig. 2.10.
Ryžiai. 2.10.
Akivaizdu, kad medžiagos, iš kurios sudarytas P filtras, atomų absorbcijos juostos kraštas turi būti tarp rentgeno vamzdžio anodo medžiagos charakteringo spektro a ir P linijų. Ši sąlyga tenkinama, jei filtro medžiagos atominis skaičius yra vienu mažesnis už anodo medžiagos iš Cr, Fe, Co, Ni, Cu atominį skaičių. Tiek niobis, tiek cirkonis gali tarnauti kaip Mo spinduliuotės filtras.
Tinkamai pasirinkus filtro storį, P linija susilpnės kelis šimtus kartų stipriau nei a linija.
Rentgeno spindulių spektrai yra dviejų tipų: nuolatiniai ir linijiniai. Lėtėjant greitiems elektronams anti-katodo medžiagoje, atsiranda nuolatiniai spektrai, kurie yra įprastas elektronų atotrūkis. Nuolatinio spektro struktūra nepriklauso nuo antikatodo medžiagos. Linijų spektrą sudaro atskiros emisijos linijos. Tai priklauso nuo antikatodo medžiagos ir yra visiškai jam būdinga. Kiekvienas elementas turi savo būdingą linijų spektrą. Todėl linijiniai rentgeno spindulių spektrai taip pat vadinami charakteringais.
Būdingos rentgeno spinduliuotės atsiradimo schemą galima pavaizduoti taip.
Yra trys esminiai skirtumai tarp rentgeno linijų spektrų ir optinių linijų spektrų. Pirma, rentgeno spindulių dažnis yra tūkstančius kartų didesnis nei optinės spinduliuotės dažnis. Tai reiškia, kad rentgeno spindulių kvantinė energija yra tūkstančius kartų didesnė nei optinio kvantinio. Antra, įvairių elementų rentgeno spindulių spektrai turi tą pačią struktūrą, o įvairių elementų optinių spektrų struktūra labai skiriasi. Trečia, optinės absorbcijos spektrus sudaro atskiros linijos, sutampančios su atitinkamo elemento pagrindinės serijos emisijos linijomis. Rentgeno spindulių absorbcijos spektrai nėra panašūs į rentgeno spinduliuotės spektrus: juos sudaro kelios juostos su aštriu ilgo bangos kraštu.
 |
Visos šios rentgeno spektro savybės paaiškinamos emisijos mechanizmu, kuris visiškai atitinka elektronų apvalkalų struktūrą. Elektronas, nukritęs ant antikatodo medžiagos, susidūręs su antikatodo atomais, gali išmušti elektroną iš vieno iš vidinių atomo apvalkalų. Rezultatas yra atomas, kurio viename iš vidinių apvalkalų trūksta elektrono. Todėl elektronai iš daugiau išorinių apvalkalų gali persikelti į laisvą erdvę. Dėl to skleidžiamas kvantas, kuris yra rentgeno spindulių kvantas.
elektronus ir kitų elektronų trikdžius. Kai elektronas pereina į laisvą vidinio apvalkalo vietą, iš išorinio apvalkalo skleidžiamas kvantas, kurio dažnis yra
Kadangi Z yra didelis sunkiems atomams, terminų energija taip pat yra didelė, palyginti su optinių terminų energija. Todėl radiacijos dažnis taip pat yra aukštas, palyginti su optiniais. Tai paaiškina didelę rentgeno kvantų energiją.
Kadangi vidiniai atomų apvalkalai turi tą pačią struktūrą, visi sunkieji atomai turi turėti vienodus struktūrizuotus rentgeno spindulių spektrus, tik sunkesniems atomams spektras perkeliamas į aukštesnius dažnius.
Tai visiškai patvirtina eksperimentas ir įrodo, kad vidiniai atomų apvalkalai turi tą pačią struktūrą, kaip buvo manoma aiškinant periodinę elementų lentelę.
1913 m. Anglų fizikas Moseley nustatė įstatymą, susijusį su rentgeno spindulių spektro linijų bangų ilgiais su elemento Z atominiu skaičiumi. Pagal šį įstatymą:
Čia R yra Rydbergo konstanta (R = 1,1 × 10 7 1 / m), n yra energijos lygio, į kurį praėjo elektronas, skaičius, k - energijos lygio, nuo kurio elektronas praėjo, skaičius.
Konstanta s vadinama atrankos konstanta. Elektronai, kurie daro perėjimus skleisdami rentgeno spindulius, yra veikiami branduolio, kurio trauką šiek tiek susilpnina jį supančių likusių elektronų veikimas. Būtent šis apsauginis veiksmas pasireiškia tuo, kad reikia iš jo atimti z kažkokia vertybė.
Moseley dėsnis leidžia nustatyti branduolio krūvį, žinant linijų bangos ilgį, būdingą rentgeno spinduliuotę. Būtent būdingos rentgeno spinduliuotės tyrimai leido pagaliau sutvarkyti periodinės lentelės elementus.
Moseley dėsnis rodo, kad rentgeno spindulių kvadratinės šaknys tiesiškai priklauso nuo krūvio skaičiaus Z elementai.
Jei elektronas išmuštas iš K apvalkalo ( n= 1), tada, kai elektronai pereina į laisvą vietą iš kitų apvalkalų, skleidžiama rentgeno spindulių K serija. Kai elektronai pereina į laisvą vietą L apvalkale ( n= 2) skleidžiama L serija ir kt. Taigi eksperimentiškai pastebėtas rentgeno spektrų struktūros ir Moseley dėsnio panašumas patvirtina sąvokas, naudojamas interpretuojant periodinę elementų lentelę.
Rentgeno spindulių absorbcijos spektrų ypatumas taip pat paaiškinamas tuo, kad rentgeno spinduliuotės spinduliavimas yra susijęs su vidiniais atomo apvalkalais. Dėl to, kad atomas sugeria rentgeno spindulių kvantą, elektronas gali būti ištrauktas iš vieno iš vidinių atomo apvalkalų, t.y. fotoionizacijos procesas. Kiekviena absorbcijos juosta atitinka elektrono ištraukimą iš atitinkamo atomo apvalkalo. K juosta (9.6 pav.) Susidaro išmušus elektroną iš vidinio atomo apvalkalo - K apvalkalo, L juostos - iš antrojo apvalkalo ir kt. Aštrus kiekvienos juostos ilgo bangos kraštas atitinka fotoionizacijos proceso pradžią, t.y. ištraukiant elektroną iš atitinkamo apvalkalo, nesuteikiant jam papildomo kinetinė energija... Ilgos bangos ilgio absorbcijos juostos dalis atitinka fotoionizacijos veiksmus, pernešant perteklinę kinetinę energiją į elektroną. Sunkiųjų elementų rentgeno spindulių absorbcijos spektrų struktūros yra panašios viena į kitą ir patvirtina sunkiųjų elementų atomų vidinių apvalkalų struktūros panašumą. 9.7 pav. galima pastebėti, kad kiekviena absorbcijos juosta turi puikią struktūrą: K juostoje yra vienas maksimumas, L-trys, o M-5. Taip yra dėl puikios rentgeno spindulių struktūros.
Jei elektronas atsitrenkia į gana sunkų branduolį, jis sulėtėja, o jo kinetinė energija išsiskiria maždaug tokios pat energijos rentgeno fotono pavidalu. Jei jis praskris pro branduolį, jis praras tik dalį savo energijos, o likusi dalis bus perkelta į kitus jo kelyje esančius atomus. Kiekvienas energijos praradimo veiksmas sukelia tam tikros energijos fotono išsiskyrimą. Atsiranda nuolatinis rentgeno spektras, kurio viršutinė riba atitinka greičiausio elektrono energiją. Tai yra nenutrūkstamo spektro formavimo mechanizmas, o didžiausia energija (arba minimalus bangos ilgis), fiksuojanti nepertraukiamo spektro ribą, yra proporcinga greitėjančiai įtampai, kuri lemia krintančių elektronų greitį. Spektrinės linijos apibūdina bombarduojamo taikinio medžiagą, o ištisinis spektras yra nulemtas elektronų pluošto energijos ir praktiškai nepriklauso nuo tikslinės medžiagos.
Rentgeno spindulius galima gauti ne tik bombarduojant elektronus, bet ir apšvitinant taikinį rentgeno spinduliais iš kito šaltinio. Tačiau šiuo atveju didžioji dalis įeinančio pluošto energijos patenka į būdingą rentgeno spindulių spektrą, o labai maža jos dalis patenka į nuolatinį. Akivaizdu, kad krentančiame rentgeno spindulyje turi būti fotonų, kurių energijos pakanka sužadinti būdingas bombarduojamo elemento linijas. Didelis energijos procentas būdingame spektre daro šį rentgeno sužadinimo metodą patogiu moksliniams tyrimams.
Rentgeno vamzdeliai. Norint gauti rentgeno spinduliuotę dėl elektronų sąveikos su materija, turite turėti elektronų šaltinį, priemonę juos pagreitinti iki didelio greičio ir tikslą, galintį atlaikyti elektronų bombardavimą ir pagaminti reikiamo intensyvumo rentgeno spindulius. Prietaisas, kuriame yra visa tai, vadinamas rentgeno vamzdeliu. Ankstyvieji tyrėjai naudojo „giliai evakuotus“ šiuolaikinių dujų išlydžio vamzdžių tipus. Vakuumas juose nebuvo labai didelis.
Dujų išleidimo vamzdeliuose yra nedidelis kiekis dujų, o kai vamzdžio elektrodams taikomas didelis potencialų skirtumas, dujų atomai paverčiami teigiamais ir neigiamais jonais. Teigiami pereina prie neigiamo elektrodo (katodo) ir, nukritę ant jo, išmuša iš jo elektronus, o jie, savo ruožtu, pereina prie teigiamo elektrodo (anodo) ir, bombarduodami jį, sukuria rentgeno fotonų srautą .
„Coolidge“ sukurtame šiuolaikiniame rentgeno vamzdyje elektronų šaltinis yra volframo katodas, įkaitintas iki aukštos temperatūros... Elektronus iki didelio greičio pagreitina didelis potencialų skirtumas tarp anodo (arba antikatodo) ir katodo. Kadangi elektronai turi pasiekti anodą nesusidurdami su atomais, reikalingas labai didelis vakuumas, todėl vamzdis turi būti gerai evakuotas. Tai taip pat sumažina likusių dujų atomų jonizacijos tikimybę ir susidariusias šonines sroves.
Elektronai yra sutelkti į anodą specialios formos elektrodu, kuris supa katodą. Šis elektrodas vadinamas fokusavimu ir kartu su katodu sudaro vamzdžio „elektroninį prožektorių“. Elektronų bombarduojamas anodas turi būti pagamintas iš ugniai atsparios medžiagos, nes didžioji dalis bombarduojančių elektronų kinetinės energijos virsta šiluma. Be to, pageidautina, kad anodas būtų pagamintas iš medžiagos, turinčios didelį atominį skaičių, nes rentgeno spindulių derlius didėja didėjant atominiam skaičiui. Volframas dažniausiai pasirenkamas kaip anodo medžiaga, kurios atominis skaičius yra 74.
Rentgeno vamzdžių konstrukcija gali skirtis priklausomai nuo taikymo ir reikalavimų.
Rentgeno spindulių difrakcijos principai. Norint suprasti rentgeno spindulių difrakcijos reiškinį, būtina pagal tvarka apsvarstyti: pirma, rentgeno spindulių spektrą, antra, kristalų struktūros pobūdį ir, trečia, patį difrakcijos reiškinį.
Kaip minėta aukščiau, būdinga rentgeno spinduliuotė susideda iš daugybės monochromatinių spektrinių linijų, kurias lemia anodo medžiaga. Naudodami filtrus galite pasirinkti intensyviausius. Todėl tinkamai pasirinkus anodo medžiagą, galima gauti beveik monochromatinės spinduliuotės šaltinį, kurio bangos ilgio vertė yra labai tiksliai nustatyta. Būdingi spinduliuotės bangos ilgiai paprastai svyruoja nuo 2,285 chromo iki 0,558 sidabro (įvairių elementų vertės žinomos šešiais reikšmingais skaitmenimis). Būdingas spektras yra ant nepertraukiamo „balto“ spektro, kuris yra daug mažesnio intensyvumo, dėl to, kad anode sulėtėja elektronai. Taigi iš kiekvieno anodo galima gauti dviejų tipų spinduliuotę: charakteristiką ir bremsstrahlung, kurių kiekvienas veikia savaip. svarbus vaidmuo.
Kristalų struktūros atomai yra išdėstyti teisingu periodiškumu, sudarydami identiškų ląstelių seką - erdvinę gardelę. Kai kurios grotelės (pavyzdžiui, daugeliui įprastų metalų) yra gana paprastos, o kitos (pavyzdžiui, baltymų molekulėms) yra gana sudėtingos.
Kristalų struktūrai būdinga tai: jei žmogus juda iš tam tikro vienos ląstelės taško į atitinkamą kaimyninės ląstelės tašką, tada bus rasta lygiai tokia pati atominė aplinka. Ir jei kuris nors atomas yra vienoje ar kitoje vienos ląstelės vietoje, tada tas pats atomas bus lygiavertėje bet kurios kaimyninės ląstelės vietoje. Šis principas yra visiškai teisingas tobulam, puikiai sutvarkytam kristalui. Tačiau daugelis kristalų (pavyzdžiui, metaliniai kietieji tirpalai) yra vienaip ar kitaip sutrikę, t.y. kristalografiškai lygiavertes vietas gali užimti skirtingi atomai. Tokiais atvejais nustatoma ne kiekvieno atomo padėtis, o tik atomo padėtis, „statistiškai apskaičiuojama pagal vidurkį“ per daug dalelių (ar ląstelių).
Rentgeno spindulių difrakcija yra kolektyvinis sklaidos reiškinys, kuriame skylių ir sklaidos centrų vaidmenį atlieka periodiškai esantys kristalų struktūros atomai. Abipusis jų vaizdų pagerinimas tam tikrais kampais suteikia difrakcijos modelį, panašų į tą, kuris atsirastų skleidžiant šviesą ant trimatės difrakcijos grotelių.
Išsisklaidymas atsiranda dėl krintančios rentgeno spinduliuotės sąveikos su kristale esančiais elektronais. Atsižvelgiant į tai, kad rentgeno spinduliuotės bangos ilgis yra tokio paties dydžio kaip atomo matmenys, išsklaidytos rentgeno spinduliuotės bangos ilgis yra toks pat kaip ir krintančiosios. Šis procesas yra priverstinių elektronų svyravimų, atsirandančių veikiant rentgeno spinduliuotei, rezultatas.
Dabar apsvarstykite atomą su surištų elektronų debesiu (supančiu branduolį), ant kurio patenka rentgeno spinduliai. Elektronai visomis kryptimis vienu metu išsklaido incidentą ir skleidžia savo paties bangos ilgio rentgeno spindulius, nors ir skirtingo intensyvumo. Išsklaidytos spinduliuotės intensyvumas yra susijęs su elemento atominiu skaičiumi, nes atominis skaičius lygus skaičiui orbitos elektronai, kurie gali dalyvauti sklaidoje. (Ši intensyvumo priklausomybė nuo sklaidos elemento atominio skaičiaus ir krypties, kuria intensyvumas matuojamas, apibūdinamas atominės sklaidos koeficientu, kuris atlieka labai svarbų vaidmenį analizuojant kristalų struktūrą.)
Pasirinkite kristalų struktūroje tiesinę atomų grandinę, esančią tuo pačiu atstumu vienas nuo kito, ir apsvarstykite jų difrakcijos modelį. Jau buvo pažymėta, kad rentgeno spindulių spektrą sudaro nepertraukiama dalis („kontinuumas“) ir intensyvesnių linijų rinkinys, būdingas elementui, kuris yra anodo medžiaga. Tarkime, mes išfiltravome ištisinį spektrą ir gavome beveik monochromatinį rentgeno spindulį, nukreiptą į mūsų tiesinę atomų grandinę. Stiprinimo (stiprinimo trukdžių) sąlyga patenkinama, jei kaimyninių atomų išsklaidytų bangų kelių skirtumas yra bangos ilgio kartotinis. Jei spindulys nukrenta kampu a 0 iki atomų linijos, atskirtos intervalais a(taškas), tada difrakcijos kampas a padidėjimą atitinkantis kelionės skirtumas rašomas kaip
a(kadangi a- juk a 0) = hl,
kur l Ar bangos ilgis ir h Yra sveikasis skaičius.
Norint išplėsti šį požiūrį į trimatį kristalą, reikia tik pasirinkti atomų eilutes dviem kitomis kristalo kryptimis ir išspręsti tris taip gautas lygtis bendrai trims kristalų ašims su taškais a, b ir c... Kitos dvi lygtys yra
Tai yra trys pagrindinės rentgeno spindulių difrakcijos Laue lygtys ir skaičiai h, k ir c- Millerio indeksai difrakcijos plokštumai. Atsižvelgiant į bet kurią iš Laue lygčių, pavyzdžiui, pirmąją, galima pastebėti, kad nuo tada a, a 0, l Ar konstantos, ir h= 0, 1, 2, ..., jo sprendimas gali būti pavaizduotas kaip kūgių rinkinys, turintis bendrą ašį a(5 pav.). Tas pats pasakytina apie nurodymus b ir c.
Bendruoju trimatės sklaidos (difrakcijos) atveju trys Laue lygtys turi turėti bendrą sprendimą, t.y. trys kiekvienos ašies difrakcijos kūgiai turi susikerti; bendra sankirtos linija parodyta fig. 6. Bendras lygčių sprendimas lemia Bragg -Wolfe dėsnį:
l= 2(d/n) nuodėmė q,
kur d- atstumas tarp plokštumų su indeksais h, k ir c(laikotarpis), n= 1, 2, ... yra sveikieji skaičiai (difrakcijos tvarka) ir q- kampas, kurį sudaro krintantis spindulys (taip pat ir difrakcinis) su kristalo plokštuma, kurioje vyksta difrakcija.
Analizuodami Braggo - Wolfe'o dėsnio lygtį vienam kristalui, esančiam monochromatinio rentgeno spindulio kelyje, galime daryti išvadą, kad difrakciją nėra lengva stebėti, nes dydžių l ir q yra fiksuoti ir nuodėmė q < 1. При таких условиях, чтобы имела место дифракция для рентгеновского излучения с длиной волны l, kristalo plokštuma su laikotarpiu d turi būti pasuktas teisingu kampu q... Siekiant įgyvendinti šį neįtikėtiną įvykį, naudojami įvairūs metodai.
Be tiesioginio elemento atomų sužadinimo, nustatomo pirminės rentgeno spinduliuotės, galima pastebėti ir daugybę kitų efektų, pažeidžiančių charakteringos linijos intensyvumo tiesinę priklausomybę nuo elemento koncentracijos. Intensyvumas priklauso ne tik nuo analizuojamų atomų kiekio mėginyje, bet ir nuo šios medžiagos absorbcijos bei sklaidos procesų, kurie kartu sukelia vadinamąjį slopinimą.
Silpnėja
Jei nukreiptas rentgeno spindulys praeina per medžiagos sluoksnį, kurio storis D ir tankis c, tada jo intensyvumas eksponentiškai mažėja:
Aš= I0e-µD
kur µ yra slopinimo koeficientas, kuris yra medžiagos parametras ir taip pat priklauso nuo rentgeno spinduliuotės bangos ilgio. Μ koeficientas yra proporcingas c ir sparčiai didėja didėjant elemento serijos numeriui ir rentgeno spindulių bangos ilgiui. Μ / s santykis vadinamas masės slopinimo koeficientu. Žr. 2 pav
Kaip minėta anksčiau, slopinimas yra dviejų derinys fiziniai procesai- absorbcija ir sklaida, t.y. slopinimo koeficientas yra:
kur f yra absorbcijos koeficientas; y yra sklaidos koeficientas.
Svarbiausia, kad φ dalis didėja didėjant Z ir n ir kad šis komponentas dominuoja virš y bangų ilgių diapazone, būdinga rentgeno fluorescencijos analizei (išskyrus lengviausius elementus, tokius kaip anglis). Todėl, atliekant rentgeno fluorescencijos analizę, slopinimas yra identiškas absorbcijai.
Absorbcija
Absorbcija įvyksta, kai į medžiagą patenkančios išorinės spinduliuotės kvantai išmuša elektronus iš atominio apvalkalo.
Šiuo atveju spinduliuotės kvantų energija išleidžiama, viena vertus, elektronų ištraukimui (darbo funkcijai) iš atomų ir, kita vertus, kinetinės energijos jiems suteikimui.
Anksčiau įvestas koeficientas φ yra radiacijos bangos ilgio funkcija. 3 paveiksle, pavyzdžiui, parodyta masės absorbcijos koeficiento φ priklausomybė nuo l, arba vadinamasis absorbcijos spektras.
Kreivė nėra lygi. Spektre yra šuolių, vadinamų absorbcijos kraštais, kurie atsiranda dėl kvantinės absorbcijos prigimties, ir sakoma, kad absorbcijos spektras yra tiesinis.
Absorbcijos kraštas yra individuali atomų charakteristika, atitinkanti energijos vertę, kuriai esant staigiai pasikeičia absorbcijos koeficientas. Ši absorbcijos funkcija turi paprastą fizinį paaiškinimą. Esant fotonų energijai, viršijančiai elektronų rišamąją energiją K apvalkale, elektronų absorbcijos skerspjūvis L apvalkale yra bent eilės dydžio mažesnis nei K apvalkalo.
Sumažėjus rentgeno spindulių kvantų energijai ir priartėjus prie elektronų atsiskyrimo nuo K apvalkalo energijos, absorbcija didėja pagal formulę, kur koeficientas C nurodytas K apvalkalui.
fm = CNZ4ln / A
kur N yra Avogadro skaičius, Z yra absorbuojančio elemento atominis skaičius, A yra jo atominis svoris, l yra bangos ilgis, n yra eksponentas, kurio reikšmės yra nuo 2,5 iki 3,0, o C yra konstanta, kuri staiga mažėja, kai einantis per absorbcijos kraštą.
Sumažėjus rentgeno spindulių kvantų energijai žemiau elektrono surišimo energijos ant K apvalkalo (~ 20 keV), staiga sumažėja absorbcija. nes rentgeno spinduliai su mažesne energija gali sąveikauti tik su elektronais L ir M apvalkaluose. Toliau mažinant energiją, absorbcija vėl didėja pagal formulę, kurioje koeficientas C jau nustatytas L apvalkalui. Šis augimas tęsiasi iki šuolių, atitinkančių elektronų rišamąją energiją ant L apvalkalų. Be to, šis procesas vyksta elektronams ant M apvalkalų ir kt.
SKLAIDYMAS
Reiškinys, kai rentgeno spindulys keičia kryptį sąveikaudamas su medžiaga, vadinamas sklaida. Jei išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgis yra toks pat kaip pirminės, tada procesas vadinamas elastiniu arba Rayleigh sklaida. Ant surištų elektronų atsiranda elastinga sklaida, ji naudojama medžiagos kristalinei struktūrai nustatyti naudojant rentgeno spindulių difrakcijos metodus. Jei išsklaidytos spinduliuotės bangos ilgis yra didesnis už pirminės spinduliuotės bangos ilgį, tada procesas vadinamas neelastiniu arba Komptono sklaida. Neelastingas išsklaidymas yra rentgeno spindulių sąveikos su laisvai surištais išoriniais elektronais rezultatas.
Nors išsklaidymas yra mažas, palyginti su absorbcija, jis atsiranda visais atvejais, įskaitant rentgeno fluorescencijos analizę. Kartu su būdinga rentgeno spinduliuote, atsirandančia fluorescencinio sužadinimo metu, išsklaidyta spinduliuotė sudaro antrinės spinduliuotės lauką, kurį užfiksuoja spektrometras. Tačiau rentgeno fluorescencijos analizėje daugiausia naudojama būdinga fluorescencinė spinduliuotė, išsklaidyta dažniausiai yra trukdžiai, kurie sudaro spektro foną, akinimą. Pageidautina, kad išsklaidyta spinduliuotė būtų kuo mažesnė.
Straipsnio turinys
Rentgeno spinduliuotės absorbcija medžiagoje. Tiriant rentgeno spindulių sąveiką su medžiaga (kieta, skysta ar dujinė), užregistruojamas perduodamos ar išsklaidytos spinduliuotės intensyvumas. Šis intensyvumas yra neatsiejamas ir susijęs su įvairiais sąveikos procesais. Norint atskirti šiuos procesus vienas nuo kito, naudojama jų priklausomybė nuo eksperimentinių sąlygų ir fizinės savybės tiriamas objektas.
Rentgeno spindulių sklaidos poveikis yra susijęs su tuo, kad kintamos jėgos elektromagnetinis laukas sukeltas rentgeno spindulių, tiriamos medžiagos elektronai yra vibruojantys. Svyruojantys elektronai skleidžia rentgeno spindulius, kurių bangos ilgis yra toks pat kaip ir pirminių, o 1 g materijos išsklaidytų spindulių galios santykis su krintančios spinduliuotės intensyvumu yra maždaug 0,2. Šis koeficientas šiek tiek padidėja ilgo bangos ilgio rentgeno spinduliams (minkšta spinduliuotė), o mažėja trumpų bangų spinduliams (kieta spinduliuotė). Tokiu atveju spinduliai stipriausiai išsibarstę krentančio rentgeno spindulio kryptimi (ir į atvirkštine kryptimi) ir silpniausia (2 kartus) statmenai pirminei krypčiai.
Fotoelektrinis efektas atsiranda tada, kai sugertą rentgeno spinduliuotę lydi elektronų išsiskyrimas. Išmetus vidinį elektroną, grįžta į stacionarią būseną. Šis procesas gali įvykti arba be spinduliuotės, išmetant antrąjį elektroną (Augerio efektas), arba jį gali lydėti būdinga medžiagos atomų rentgeno spinduliuotė ( cm... Rentgeno spinduliai). Šis reiškinys savo pobūdžiu panašus į fluorescenciją. Rentgeno fluorescencija gali atsirasti tik tada, kai būdinga elemento rentgeno spinduliuotė yra veikiama lengvesnio elemento (mažesnio atominio skaičiaus).
Bendra rentgeno spindulių absorbcija nustatoma susumavus visų tipų sąveikas, kurios silpnina rentgeno spindulių intensyvumą. Norint įvertinti rentgeno spinduliuotės intensyvumo susilpnėjimą einant per medžiagą, naudojamas linijinis slopinimo koeficientas, kuris apibūdina spinduliuotės intensyvumo sumažėjimą, kai praeina 1 cm medžiagos ir yra lygus natūraliam logaritmui incidento ir perduodamos spinduliuotės intensyvumo santykis. Be to, pusiau sugeriančio sluoksnio storis naudojamas kaip medžiagos gebėjimo sugerti krintančią spinduliuotę charakteristika, t.y. sluoksnio storis, einant per kurį spinduliuotės intensyvumas sumažėja perpus.
Fiziniai rentgeno spindulių sklaidos mechanizmai ir antrinės būdingos spinduliuotės išvaizda yra skirtingi, tačiau visais atvejais priklauso nuo rentgeno spinduliuotę sąveikaujančios medžiagos atomų skaičiaus, t.y. Dėl medžiagos tankio universali absorbcijos charakteristika yra masės absorbcijos koeficientas - tikrasis absorbcijos koeficientas, susijęs su medžiagos tankiu.
Tos pačios medžiagos absorbcijos koeficientas mažėja mažėjant rentgeno spindulių bangos ilgiui, tačiau, esant tam tikram bangos ilgiui, absorbcijos koeficientas smarkiai padidėja (šokinėja), po to jis ir toliau mažėja (pav.). Šuolio metu absorbcijos koeficientas padidėja kelis kartus (kartais didumo tvarka), o skirtingoms medžiagoms - skirtinga verte. Absorbcijos šuolio atsiradimas siejamas su tuo, kad esant tam tikram bangos ilgiui sužadinama būdinga apšvitintos medžiagos rentgeno spinduliuotė, o tai smarkiai padidina energijos nuostolius spinduliuotės metu. Kiekvienoje absorbcijos koeficiento priklausomybės nuo bangos ilgio kreivės dalyje (prieš ir po absorbcijos šuolio) masės absorbcijos koeficientas kinta proporcingai rentgeno spinduliuotės bangos ilgio kubui ir cheminio elemento atominiam skaičiui. (barjerinė medžiaga).
Kai ne monochromatinė rentgeno spinduliuotė, pvz., Nuolatinio spektro spinduliuotė, praeina per medžiagą, atsiranda absorbcijos koeficientų spektras, o trumpųjų bangų spinduliuotė absorbuojama silpniau nei ilgųjų bangų spinduliuotė ir padidėja barjeras, gautas absorbcijos koeficientas priartėja prie trumposios bangos spinduliuotei būdingos vertės. Jei medžiaga susideda iš kelių cheminiai elementai, tada bendras absorbcijos koeficientas priklauso nuo kiekvieno elemento atominio skaičiaus ir šio elemento kiekio medžiagoje.
Rentgeno spinduliuotės absorbcijos medžiagoje skaičiavimai turi didelė svarba rentgeno tyrimui. Esant metalinės plokštės defektui (pavyzdžiui, porai ar ertmei), perduodamos spinduliuotės intensyvumas padidėja, o įjungus nuo sunkesnio elemento - sumažėja. Žinant absorbcijos koeficiento vertę, galima apskaičiuoti vidinio defekto geometrinius matmenis.
Rentgeno filtrai.
Tiriant medžiagas naudojant rentgeno spindulius, rezultatų interpretaciją apsunkina kelių bangų ilgių buvimas. Norint išskirti atskirus bangos ilgius, naudojami rentgeno filtrai, pagaminti iš medžiagų, turinčių skirtingus absorbcijos koeficientus skirtingiems bangų ilgiams, naudojant tai, kad padidėjus spinduliuotės bangos ilgiui padidėja absorbcijos koeficientas. Pavyzdžiui, aliuminio atveju geležies anodo K serijos rentgeno spinduliuotės absorbcijos koeficientas (l = 1,932 A) yra didesnis nei K serijos spinduliuotės iš molibdeno anodo (l = 0,708 A) ir aliuminio filtro storis 0,1 mm, geležies anodo spinduliuotės slopinimas yra 10 kartų didesnis nei molibdeno.
Absorbcijos šuolio buvimas absorbcijos koeficiento ir bangos ilgio kreivėje leidžia gauti selektyviai sugeriančius filtrus, jei filtruotos spinduliuotės bangos ilgis yra tiesiai už absorbcijos šuolio. Šis efektas naudojamas filtruoti K serijos spinduliuotės b komponentą, kuris yra 5 kartus silpnesnis nei a komponentas. Jei pasirenkame tinkamą filtro medžiagą, kad a ir b komponentai būtų priešingose absorbcijos šuolio pusėse, tada b komponento intensyvumas sumažėja kelis kartus. Pavyzdys yra vario b spinduliuotės filtravimo problema, kurioje K serijos a spinduliuotės bangos ilgis yra 1,539 A., t.y. yra tarp vario a ir b spindulių bangos ilgio, absorbcijos šuolio srityje absorbcijos koeficientas padidėja 8 kartus, todėl b spinduliuotės intensyvumas yra dešimtis kartų mažesnis už a radiacija.
Kai rentgeno spinduliai sąveikauja su kieta medžiaga, gali atsirasti radiacijos pažeidimas, susijęs su atomų judėjimu. Spalvų centrai atsiranda joniniuose kristaluose, panašūs reiškiniai pastebimi stikluose, o polimeruose keičiasi mechaninės savybės. Šie efektai yra susiję su atomų išmušimu iš pusiausvyros padėties kristalinėje gardelėje. Dėl to susidaro laisvos vietos - atomų nebuvimas pusiausvyros padėtyse kristalinėje gardelėje ir tarpinių atomų, esančių pusiausvyros padėtyje gardelėje. Spalvų kristalų ir stiklo poveikis veikiant rentgeno spinduliuotei yra grįžtamas ir daugeliu atvejų išnyksta kaitinant ar ilgai veikiant. Polimerų mechaninių savybių pasikeitimas švitinant rentgeno spinduliais yra susijęs su tarpatominių ryšių nutrūkimu.
Pagrindinė rentgeno spinduliuotės ir kietosios medžiagos sąveikos tyrimo kryptis yra rentgeno struktūros analizė, kurios pagalba tiriamas atomų išsidėstymas kietoje medžiagoje ir jos pokyčiai veikiant išoriniam poveikiui.
Molekulinių struktūrų tyrimo metodas, t.y. atomų padėties molekulėje ir jų pobūdžio nustatymas naudojant rentgeno spindulius, gavo rentgeno struktūros analizės pavadinimą. Galima naudoti biologinių struktūrų tyrimui įvairių reiškinių rentgeno spinduliuotės sąveika su medžiaga: absorbcija, sklaida ir difrakcija, inaktyvacija (molekulių struktūros ir jų funkcijų pokyčiai sudedamosios dalys veikiant rentgeno spinduliams). Rentgeno spindulių sklaidos ir difrakcijos metodas naudoja jų bangų savybes. Rentgeno spinduliai, išsklaidyti atomų, sudarančių molekules, trukdo ir suteikia paveikslėlį - Lauegramą, kurioje maksimumų padėtis ir intensyvumas priklauso nuo atomų padėties molekulėje ir nuo abipusis susitarimas molekulės. Jei molekulės yra išdėstytos chaotiškai, pavyzdžiui, tirpaluose, tada sklaida priklauso ne nuo vidinės molekulių struktūros, o daugiausia nuo jų dydžio ir formos.
Rentgeno spinduliuotės absorbciją medžiagoje lydi fotoelektronų, Augerio elektronų susidarymas ir antrinių fotonų išsiskyrimas iš medžiagos atomų.
Medžiagos rentgeno spinduliuotės absorbcijos koeficientas mažėja didėjant jos dažniui. Kryptinis 1 cm2 skerspjūvio rentgeno spindulys, einantis per medžiagos sluoksnį, susilpnėja dėl sąveikos su jo atomais. Esant eilės elementų skaičiams 10 - 35 ir rentgeno spindulių ilgiui 0 1 - 1 0, pagrindinis slopinimo procesų vaidmuo tenka tikrajai rentgeno spindulių absorbcijai.
Rentgeno diagnostika
Audinių ir organų pokyčių ir ligų atpažinimas naudojant rentgenografiją.
Rentgeno spindulių sąveika su biologiniais audiniais.
Rentgeno terapija yra įvairių ligų gydymo metodas naudojant rentgeno spindulius. Rentgeno generatorius yra specialus rentgeno vamzdelis su radioaktyvia medžiaga. Gydymui dažniausiai naudojama rentgeno terapija onkologinės ligos... Toks gydymas grindžiamas tuo, kad jonizuojančioji spinduliuotė gali turėti žalingą poveikį ląstelėms, sukeldama įvairias mutacijas, nesuderinamas su ląstelių gyvybingumu, ir kuo aktyvesni dauginimosi ir augimo procesai, tuo stipresnis ir destruktyvesnis poveikis radiacija.
Reikėtų pažymėti, kad rentgeno terapija naudojama ne tik navikams, bet ir kitoms ligoms gydyti. Šis neoplastinės kilmės patologijos gydymo metodas naudojamas, kai kiti metodai yra neveiksmingi. Dažniausiai tokiais atvejais žmonės tampa pacientais. pensinio amžiaus, kuriems dėl kontraindikacijų naudoti įvairias terapines procedūras skiriamas rentgeno terapijos kursas. Šio gydymo metodo privalumai apima minimalias kontraindikacijas, taip pat priešuždegiminį, antialerginį ir analgezinį poveikį. Be to, neoplastinėms ligoms gydyti spinduliuotės dozės yra pakankamai mažos, todėl tokiems pacientams būdingas „radiacijos“ šalutinis poveikis pastebimas retai.
Radioaktyvumas. Pagrindinis radioaktyvaus skilimo dėsnis. Pusė gyvenimo. Izotopai, jų taikymas medicinoje.
Radioaktyvaus skilimo dėsnis pasižymi tuo, kad tam tikrą laiką tam tikro izotopo aktyvumas visada mažėja ta pačia dalimi, nepriklausomai nuo aktyvumo dydžio.
Izotopų naudojimas medicinoje
Šiandien radionuklidų tyrimo ir gydymo metodai yra plačiai naudojami įvairiose mokslinės ir praktinės medicinos srityse - onkologijoje, kardiologijoje, hepatologijoje, urologijoje ir nefrologijoje, pulmonologijoje, endokrinologijoje, traumatologijoje, neurologijoje ir neurochirurgijoje, pediatrijoje, alergologijoje, hematologijoje, klinikinėje imunologijoje ir kt. .
Radioaktyviosios medžiagos aktyvumas. Vienetai.
medžiagos radioaktyvumo matas, išreikštas jos branduolių skilimų skaičiumi per laiko vienetą; išmatuotas curie (Ci): 1 Ci3 7 - 1010 dec (mikrocurie, microcurie); A. r. v. atsižvelgiama, pavyzdžiui, renkantis radiofarmacinį preparatą, vertinant pavojų dirbti su radioaktyvia medžiaga ir pan.