La trecerea unui fascicul direcționat radiografii prin substanță, intensitatea fasciculului de-a lungul direcției inițiale este atenuată în două moduri diferite:
- 1. prin dispariția unui foton - așa-numita absorbție adevărată,
- 2. prin schimbarea direcției originale a fotonului - împrăștiere. Fenomen de împrăștiere cu raze X
complet analog dispersiei pe care lumina o experimentează când trece printr-un mediu tulbure. Singura diferență este că „turbiditatea” mediului pentru lumină este cauzată de particule suficient de mari suspendate în acesta cu un indice de refracție diferit de indicele de refracție al mediului. Pentru razele X, datorită lungimii lor de undă reduse, orice mediu transparent la lumină este „tulbure”. În acest caz, centrele de împrăștiere sunt atomi sau molecule ale substanței în sine. Se observă împrăștiere moleculară similară pentru lumină. Dar este un efect foarte slab în cazul luminii. Problema împrăștierii va fi examinată mai detaliat în capitolul următor.
Luați în considerare atenuarea intensității / razelor X care trec prin substanță în direcția axei NS. Pe suprafața substanței, punem NS= 0, / = / 0 și intensitatea fasciculului la adâncime NS - 1 X. Determinați schimbarea de intensitate dl x radiografie pe drum dxîntre puncte cu coordonate NSși NS + dx. Evident, scăderea relativă a intensității va fi proporțională cu dx:
unde coeficientul de proporționalitate p se numește coeficient de atenuare liniară și depinde de substanța absorbantă și de lungimea de undă a fasciculului de raze X. Rezultă din (2.6) că dimensiunea coeficientului de atenuare liniară este cm "1 și, în sens fizic, coeficientul de atenuare liniară este modificarea relativă a intensității pe unitate de cale. Integrarea (2.6) peste NS, obținem legea atenuării razelor X de un strat de grosime finită NS:
Cu toate acestea, valoarea coeficientului de atenuare liniară va depinde de densitatea reală a materialului. De exemplu, dacă avem două exemplare de aceeași grosime și aceeași compoziție chimică, dar de densitate diferită, datorită prezenței porilor într-unul dintre ei, coeficientul de atenuare liniară pentru un obiect poros va fi mai mic decât pentru unul neporos. A fost necesar să se introducă o valoare care să fie determinată doar de compoziția elementară a substanței. Baza pentru obținerea unui astfel de coeficient a fost faptul că absorbția fotoelectrică a razelor X într-o substanță este un proces atomic și se poate efectua calculul mărimii atenuării intensității, ținând seama nu de grosimea strat, dar cantitatea de substanță (masa acesteia) în volumul iradiat.
Luați în considerare un fascicul de raze X cu o secțiune transversală de 1 cm 2. Energia acestei raze este numerică egală cu intensitatea /. Să găsim atenuarea unei astfel de raze după ce trecem printr-o unitate de masă de materie. Dacă p este densitatea substanței, atunci pe drum dx contează masadm = pdx. Modificarea relativă a intensității pe parcursdx , adică la trecerea maseidm , va fi proporțională cu valoarea acestei mase:
unde se numește factorul de proporționalitate
coeficient de atenuare a masei. Din (2.8) rezultă că dimensiunea coeficientului de atenuare a masei este egală cu cm 2 g " și conform sensului fizic, coeficientul de atenuare a masei este o modificare relativă a intensității pe unitate de masă a unei substanțe. Să denotăm intensitatea fasciculului după ce trecem prin masă T peste1 t și obținem legea atenuării razelor X de un strat de masă finităT:
O trăsătură caracteristică a coeficientului de atenuare a masei este independența sa de starea fizică a substanței.
Alături de coeficienții liniari și de atenuare a masei, se introduce și coeficientul de atenuare atomicăin absenta cu dimensiunea cm, care este modificarea relativă a intensității unui fascicul de raze cu o secțiune transversală de 1 cm 2 per atom.
UndeA este greutatea atomică, numerică egală cu masa unui gram-mol, aN / A - Numărul lui Avogadro egal cu numărul de atomi dintr-un gram-atom ^ = 6,023x10 28 mol "1).
Actele de absorbție și împrăștiere a radiațiilor cu raze X pot fi considerate independente și, prin urmare, putem seta coeficientul de atenuare atomică x a egală cu suma coeficienților atomici de absorbție adevăratăt a și împrăștiereași a:
În mod similar, se pot reprezenta coeficienți de masă sau liniari de atenuare p t (q) egali cu suma masei sau, respectiv, coeficienți liniari de absorbție adevărată t w (t) și împrăștiere a t (st).
Împărțirea coeficientului atomic de absorbție adevărată
x a după numărul de electroni din atomul Z, obținem coeficientul electronic de absorbție adevărată (te) *:
unde subscriptLA indică faptul că coeficientul electronic de absorbție adevărată determinat în (2.11) este valoarea medie pentru toți electronii atomului, inclusiv pentru electronii interni LG. Expresia (2.11) este valabilă în caz X acestea. în cazul în care pot absorbi toți electronii atomului.
Coeficientul de absorbție atomică reală poate fi considerat ca suma coeficienților de absorbție atomică adevărată parțială x q pentru niveluri individualeq atom:
Undex q este determinat de efectul fotoelectric al unui singurq -nivelul atomului. Prin urmare, coeficientul atomic parțial de absorbție adevărată este aria secțiunii transversale efective a atomului pentru ionizarea nivelului g prin captarea unui foton.
Denotăm formula chimica substanță complexă după cum urmează:
UndeQi - simboluri element,NS (- numărul de atomi dintr-o moleculă. Introducem și notația- greutatea atomică u (t w), este coeficientul de masă al absorbției reale a elementuluiQ h Având în vedere procesele de absorbție de către atomii individuali ai unei molecule (amestec de substanțe) independente una de cealaltă și, prin urmare, asumând validitatea legii aditivității pentru coeficienții de absorbție atomici (de masă) adevărați, găsim coeficientul de absorbție a masei moleculare:
UndeM - greutate moleculară. Această formulă poate fi transformată prin introducerea concentrațiilor în greutate C, =riiAJM elementeQ (.
Formula rezultată este convenabilă pentru calcularea coeficienților de absorbție a masei amestecurilor de gaze, aliaje, soluții solide și lichide etc.
Validitatea legii aditivității este confirmată prin experiment. Abaterile de la această lege se manifestă numai în structura fină a spectrelor de absorbție (pentru mai multe detalii vezi).
Studiile experimentale au arătat că coeficientul de absorbție atomică a tuturor nivelurilor unui atom depinde de numărul atomic Z și de lungimea de undă X și o expresie aproximativă este validă:
UndeX în cm, iar coeficientul C depinde de regiunea lungimii de undă și se modifică la trecerea prin valoriX k, X Lh Xsh și așa mai departe, legate de anumite lungimi de undă, la care se produce încă ionizarea nivelurilor corespunzătoare.
Valoarea coeficienților de absorbție adevărată depinde de lungimea de undăX radiațiile incidente și numărul atomic al elementului. Dacă pentru ca acest element să construiască dependențex a șix t dinX (Fig. 2.8), se dovedește că creștereax a șix t cu o creștereX apare inegal: se observă un număr de salturi atunci când lungimea de undă, crescând, trece prin unele valori, care sunt diferite pentru fiecare substanță, care sunt marginile benzilor de absorbție corespunzătoare sau praguri de absorbție pentru ^ -nivelul atomului (" d-margine de absorbție "), de unde putem obține două valori x t de ambele părți ale acestei granițe. Să notăm coeficientul de absorbție a masei de la limita lungimii de undă scurtă de laX d pestex m (X q) 9 și cu undă lungă -x "m (X q), este evident căx m (X i)> x "m (X q). Atitudine
se numește saltul de absorbție al nivelului t. În intervalele dintre salturi, creșterea coeficienților respectă legea X 3. În fig. 2.9 arată dependențax a de la Z laX = 1A.
Orez . 2.8.
Prezența absorbției sare pe dependențet t dinX și Z duce la necesitatea selectării radiațiilor atunci când se efectuează studii structurale ale materialelor, deoarece dacă lungimea de undă a razelor incidente este puțin mai mică decât marginea benzii de absorbție LA -serii ale elementului studiat, atunci nu numai intensitatea radiației difractate scade datorită absorbției puternice, ci apare și fluorescența foarte intensă, care scade brusc contrastul modelului de difracție a razelor X, creând un fundal mare pe acesta. Un efect similar, dar ușor mai slab, se observă în studiile elementelor grele, când lungimea de undă a razelor incidente este puțin mai mică decât marginea benzii de absorbție. L- serie. De la cercetare
Orez. 2.9. Dependența coeficientului de absorbție atomicăt a asupra numărului atomic al substanței Z pentruX = 1 A.
Pe de altă parte, datorită salturilor de absorbție, devine posibilă utilizarea unor ecrane (filtre) absorbante selectiv pentru a schimba compoziția spectrală a radiației provenite din tub. Cel mai utilizat este filtrul P, care face posibilă separarea liniei a a spectrului caracteristic de p-ul său însoțitor. Modificarea distribuției intensității în spectrul de raze X atunci când trece prin filtrul p este prezentată în Fig. 2.10.
Orez. 2.10.
Este clar că marginea benzii de absorbție a atomilor substanței din care constă filtrul P trebuie să se afle între liniile a și P ale spectrului caracteristic al substanței anodului tubului cu raze X. Această condiție este îndeplinită dacă numărul atomic al materialului filtrant este cu unul mai mic decât numărul atomic al materialului anodic din Cr, Fe, Co, Ni, Cu. Atât niobiul, cât și zirconiul pot servi ca filtru pentru radiația Mo.
Cu o selecție adecvată a grosimii filtrului, linia P va fi slăbită de câteva sute de ori mai puternică decât linia a.
Spectrele cu raze X sunt de două tipuri: continue și liniare. Spectrele continue apar în timpul decelerării electronilor rapizi din substanța anticatodului și sunt bremsstrahlungul obișnuit al electronilor. Structura spectrului continuu nu depinde de materialul anticatodului. Spectrul de linie constă din linii de emisie individuale. Depinde de materialul anticatodului și este pe deplin caracterizat de acesta. Fiecare element are propriul spectru liniar caracteristic. Prin urmare, spectrele de raze X de linie sunt, de asemenea, numite caracteristice.
Schema apariției radiației caracteristice cu raze X poate fi descrisă după cum urmează.
Există trei diferențe fundamentale între spectrele de linie cu raze X și spectrele de linie optică. În primul rând, frecvența razelor X este de mii de ori mai mare decât frecvența radiațiilor optice. Aceasta înseamnă că energia unui cuantic cu raze X este de mii de ori mai mare decât o cuantică optică. În al doilea rând, spectrele de raze X ale diferitelor elemente au aceeași structură, în timp ce structura spectrelor optice ale diferitelor elemente diferă semnificativ. În al treilea rând, spectrele de absorbție optică constau din linii individuale care coincid cu liniile de emisie ale seriei principale a elementului corespunzător. Spectrele de absorbție a razelor X nu sunt ca spectrele de emisie a razelor X: sunt formate din mai multe benzi cu o margine ascuțită de lungime de undă lungă.
 |
Toate aceste caracteristici ale spectrelor de raze X sunt explicate de mecanismul de emisie, care este în deplin acord cu structura cochiliilor de electroni. Un electron care cade pe materialul anticatodului, ciocnindu-se cu atomii anticatodului, poate scoate un electron dintr-una din cochiliile interioare ale atomului. Rezultatul este un atom căruia îi lipsește un electron pe una din cochiliile sale interioare. În consecință, electronii din mai multe cochilii exterioare se pot transfera în spațiul liber. Ca rezultat, se emite o cuantică, care este o cuantică cu raze X.
electroni și perturbări de la alți electroni. Când electronul trece în locul liber de pe învelișul interior, o cuantă este emisă din învelișul exterior, a cărui frecvență este
Deoarece Z este mare pentru atomii grei, energia termenilor este de asemenea mare în comparație cu energia termenilor optici. În consecință, frecvențele de radiații sunt, de asemenea, ridicate în comparație cu frecvențele optice. Acest lucru explică energia ridicată a cuantelor cu raze X.
Deoarece cochiliile interioare ale atomilor au aceeași structură, toți atomii grei ar trebui să aibă aceleași spectre de raze X structurate, numai pentru atomii mai grei spectrul este deplasat către frecvențe mai mari.
Acest lucru este confirmat pe deplin prin experiment și demonstrează că cojile interioare ale atomilor au aceeași structură, așa cum s-a presupus atunci când se explică tabelul periodic al elementelor.
În 1913, fizicianul englez Moseley a stabilit o lege care leagă lungimile de undă ale liniilor spectrului de raze X de numărul atomic al elementului Z. Conform acestei legi:
Aici R este constanta Rydberg (R = 1,1 × 10 7 1 / m), n este numărul nivelului de energie la care a trecut electronul, k este numărul nivelului de energie de la care a trecut electronul.
Constanta s se numește constantă de screening. Electronii care fac tranziții atunci când emit raze X se află sub influența nucleului, a cărui atracție este oarecum slăbită de acțiunea electronilor rămași care îl înconjoară. Această acțiune de protecție își găsește expresia în nevoia de a scădea z ceva valoare.
Legea lui Moseley vă permite să determinați sarcina nucleului, cunoscând lungimea de undă a liniilor, radiația caracteristică cu raze X. Studiile de radiații cu raze X caracteristice au făcut posibilă aranjarea în cele din urmă a elementelor din tabelul periodic.
Legea lui Moseley arată că rădăcinile pătrate ale termenilor cu raze X depind liniar de numărul de încărcare Z elemente.
Dacă un electron este scos din K-shell ( n= 1), atunci când electronii trec în locul liber din alte cochilii, se emite seria K cu raze X. Când electronii trec în locul liber din L-shell ( n= 2) se emite o serie L etc. Astfel, similaritatea observată experimental a structurii spectrelor de raze X și legea lui Moseley confirmă conceptele utilizate în interpretarea tabelului periodic al elementelor.
Particularitatea spectrelor de absorbție a razelor X se explică și prin faptul că emisia de radiații cu raze X este legată de cochiliile interioare ale atomului. Ca urmare a absorbției cuantice de raze X de către un atom, un electron poate fi scos din una din cochiliile interioare ale atomului, adică proces de fotoionizare. Fiecare dintre benzile de absorbție corespunde extracției unui electron din coaja corespunzătoare a atomului. Banda K (Fig. 9.6.) Se formează ca urmare a scoaterii unui electron din învelișul interior al atomului - învelișul K, în banda L - din a doua înveliș etc. Marginea ascuțită a lungimii de undă lungă a fiecărei benzi corespunde debutului procesului de fotoionizare, adică scoaterea unui electron din învelișul corespunzător fără a-i da un plus energie kinetică... Partea cu lungime de undă lungă a benzii de absorbție corespunde unor acte de fotoionizare cu transferul de energie cinetică în exces către electron. Structurile spectrelor de absorbție a razelor X ale elementelor grele sunt similare între ele și confirmă similaritatea structurii cochiliilor interioare ale atomilor elementelor grele. Figura 9.7. se poate vedea că fiecare dintre benzile de absorbție are o structură fină: există un maxim în banda K, trei maxime în banda L și cinci maxime în banda M. Acest lucru se datorează structurii fine a termenilor de raze X.
Dacă un electron lovește un nucleu relativ greu, atunci acesta este decelerat, iar energia sa cinetică este eliberată sub forma unui foton cu raze X de aproximativ aceeași energie. Dacă zboară pe lângă nucleu, va pierde doar o parte din energie, iar restul va fi transferat către alți atomi care se întâlnesc în calea sa. Fiecare act de pierdere de energie duce la emisia unui foton cu o anumită energie. Apare un spectru continuu de raze X, a cărui limită superioară corespunde energiei celui mai rapid electron. Acesta este mecanismul pentru formarea unui spectru continuu, iar energia maximă (sau lungimea de undă minimă) care fixează limita spectrului continuu este proporțională cu tensiunea de accelerare, care determină viteza electronilor incidenți. Liniile spectrale caracterizează materialul țintei bombardate, iar spectrul continuu este determinat de energia fasciculului de electroni și este practic independent de materialul țintă.
Razele X pot fi obținute nu numai prin bombardarea electronilor, ci și prin iradierea țintei cu raze X dintr-o altă sursă. Cu toate acestea, în acest caz, cea mai mare parte a energiei fasciculului incident merge în spectrul caracteristic de raze X și o fracțiune foarte mică din aceasta cade pe cea continuă. Evident, fasciculul de raze X incident trebuie să conțină fotoni, a căror energie este suficientă pentru a excita liniile caracteristice ale elementului bombardat. Procentul ridicat de energie din spectrul caracteristic face ca această metodă de excitație cu raze X să fie convenabilă pentru cercetarea științifică.
Tuburi cu raze X. Pentru a obține radiații cu raze X datorită interacțiunii electronilor cu materia, trebuie să aveți o sursă de electroni, mijloace de accelerare a acestora la viteze mari și o țintă care poate rezista bombardamentelor de electroni și poate produce raze X de intensitatea necesară. Dispozitivul care conține toate acestea se numește tub cu raze X. Primii cercetători au folosit tuburi „evacuate profund” de tipul tuburilor moderne cu descărcare de gaz. Vidul din ele nu a fost foarte mare.
Tuburile cu descărcare de gaz conțin o cantitate mică de gaz și, atunci când se aplică o diferență mare de potențial electrozilor tubului, atomii de gaz sunt transformați în ioni pozitivi și negativi. Cele pozitive se deplasează către electrodul negativ (catod) și, căzând asupra acestuia, scot electronii din acesta și, la rândul lor, se deplasează către electrodul pozitiv (anod) și, bombardându-l, creează un flux de fotoni cu raze X.
În tubul modern cu raze X dezvoltat de Coolidge, sursa de electroni este un catod de tungsten încălzit la temperatura ridicata... Electronii sunt accelerați la viteze mari de diferența mare de potențial dintre anod (sau anticatod) și catod. Deoarece electronii trebuie să ajungă la anod fără a se ciocni cu atomii, este necesar un vid foarte mare, pentru care tubul trebuie bine evacuat. Acest lucru reduce, de asemenea, probabilitatea de ionizare a atomilor de gaz rămași și a curenților laterali rezultați.
Electronii sunt focalizați pe anod folosind un electrod special format care înconjoară catodul. Acest electrod se numește focalizare și împreună cu catodul formează „reflectorul de electroni” al tubului. Anodul bombardat cu electroni trebuie să fie dintr-un material refractar, deoarece cea mai mare parte a energiei cinetice a electronilor de bombardare este transformată în căldură. În plus, este de dorit ca anodul să fie dintr-un material cu un număr atomic ridicat, deoarece randamentul cu raze X crește odată cu creșterea numărului atomic. Tungstenul este cel mai des ales ca material anodic, al cărui număr atomic este 74.
Proiectarea tuburilor cu raze X poate varia în funcție de aplicație și cerințe.
Principiile difracției cu raze X. Pentru a înțelege fenomenul difracției cu raze X, este necesar să se ia în considerare în ordine: în primul rând, spectrul de raze X, în al doilea rând, natura structurii cristaline și, în al treilea rând, fenomenul de difracție în sine.
După cum sa menționat mai sus, radiația caracteristică cu raze X constă dintr-o serie de linii spectrale cu un grad ridicat de monocromaticitate, determinate de materialul anodic. Folosind filtre, le puteți selecta pe cele mai intense. Prin urmare, alegând în mod adecvat materialul anodului, este posibil să se obțină o sursă de radiație aproape monocromatică cu o valoare a lungimii de undă foarte precis definită. Lungimile de undă ale radiației caracteristice variază de obicei de la 2,285 pentru crom la 0,555 pentru argint (valorile pentru diferitele elemente sunt cunoscute până la șase cifre semnificative). Spectrul caracteristic se suprapune spectrului continuu „alb” de o intensitate mult mai mică, datorită decelerării electronilor incidenți din anod. Astfel, din fiecare anod pot fi obținute două tipuri de radiații: caracteristică și bremsstrahlung, fiecare jucând în felul său. rol important.
Atomii din structura cristalină sunt aranjați cu periodicitatea corectă, formând o secvență de celule identice - o rețea spațială. Unele rețele (de exemplu, pentru majoritatea metalelor comune) sunt destul de simple, în timp ce altele (de exemplu, pentru moleculele de proteine) sunt destul de complexe.
Următorul este caracteristic structurii cristaline: dacă cineva se deplasează dintr-un punct dat al unei celule în punctul corespunzător al celulei vecine, atunci se va găsi exact același mediu atomic. Și dacă un atom este situat într-un punct sau altul al unei celule, atunci același atom va fi situat în punctul echivalent al oricărei celule vecine. Acest principiu este strict adevărat pentru un cristal perfect, perfect ordonat. Cu toate acestea, multe cristale (de exemplu, soluții metalice solide) sunt dezordonate într-un grad sau altul, adică site-uri cristalografice echivalente pot fi ocupate de atomi diferiți. În aceste cazuri, nu se determină poziția fiecărui atom, ci doar poziția atomului, „calculată statistic” pe un număr mare de particule (sau celule).
Difracția cu raze X este un fenomen de împrăștiere colectivă, în care rolul găurilor și centrelor de împrăștiere este jucat de atomii situați periodic ai structurii cristaline. Îmbunătățirea reciprocă a imaginilor lor la anumite unghiuri oferă un model de difracție similar cu cel care ar apărea în difracția luminii pe o rețea de difracție tridimensională.
Împrăștierea are loc datorită interacțiunii radiației X cu incidentul cu electronii din cristal. Datorită faptului că lungimea de undă a radiației cu raze X este de același ordin de mărime ca dimensiunile atomului, lungimea de undă a radiației cu raze X împrăștiate este aceeași cu cea a celei incidente. Acest proces este rezultatul oscilațiilor forțate ale electronilor sub influența radiațiilor cu raze X incidente.
Luați în considerare acum un atom cu un nor de electroni legați (care înconjoară nucleul) pe care sunt incidente razele X. Electronii din toate direcțiile împrăștie simultan incidentul și emit propriile raze X de aceeași lungime de undă, deși cu intensități diferite. Intensitatea radiației împrăștiate este legată de numărul atomic al elementului, deoarece numar atomic egal cu numărul electroni orbitali care pot participa la împrăștiere. (Această dependență a intensității de numărul atomic al elementului de împrăștiere și de direcția în care este măsurată intensitatea este caracterizată de factorul de împrăștiere atomică, care joacă un rol extrem de important în analiza structurii cristaline.)
Să alegem în structura cristalină un lanț liniar de atomi situați la aceeași distanță unul de celălalt și să luăm în considerare tiparul de difracție al acestora. S-a observat deja că spectrul de raze X constă dintr-o parte continuă („continuum”) și un set de linii mai intense caracteristice elementului care este materialul anodului. Să presupunem că am filtrat spectrul continuu și am obținut un fascicul de raze X aproape monocromatic îndreptat către lanțul nostru liniar de atomi. Condiția de amplificare (interferență de amplificare) este îndeplinită dacă diferența de cale între undele împrăștiate de atomii vecini este un multiplu al lungimii de undă. Dacă grinda cade sub un unghi A 0 la o linie de atomi separați prin intervale A(punct), apoi pentru unghiul de difracție A diferența de deplasare corespunzătoare câștigului se scrie ca
A(cos A- cos A 0) = hl,
Unde l Este lungimea de undă și h Este un număr întreg.
Pentru a extinde această abordare la un cristal tridimensional, este necesar doar să selectați rândurile de atomi în alte două direcții ale cristalului și să rezolvați cele trei ecuații astfel obținute împreună pentru trei axe de cristal cu perioade A, bși c... Celelalte două ecuații sunt
Acestea sunt cele trei ecuații fundamentale Laue pentru difracția razelor X și numerele h, kși c- Indici Miller pentru planul de difracție. Având în vedere oricare dintre ecuațiile Laue, de exemplu prima, se poate observa că, din moment ce A, A 0, l Sunt constante și h= 0, 1, 2, ..., soluția sa poate fi reprezentată ca un set de conuri cu o axă comună A(fig. 5). Același lucru este valabil și pentru direcții bși c.
În cazul general al împrăștierii tridimensionale (difracție), cele trei ecuații Laue trebuie să aibă o soluție generală, adică trebuie să se intersecteze trei conuri de difracție situate pe fiecare dintre axe; linia generală de intersecție este prezentată în fig. 6. Soluția comună a ecuațiilor duce la legea Bragg - Wolfe:
l= 2(d/n) păcat q,
Unde d- distanța dintre avioane cu indici h, kși c(perioadă), n= 1, 2, ... sunt numere întregi (ordinea difracției) și q- unghiul format de fasciculul incident (și, de asemenea, de cel de difracție) cu planul cristalului în care apare difracția.
Analizând ecuația legii Bragg - Wolfe pentru un singur cristal situat pe calea unui fascicul de raze X monocromatic, putem concluziona că difracția nu este ușor de observat, deoarece magnitudini lși q sunt fixe și păcatul q < 1. При таких условиях, чтобы имела место дифракция для рентгеновского излучения с длиной волны l, planul cristalului cu perioada d trebuie rotit la unghiul corect q... Pentru a realiza acest eveniment puțin probabil, sunt folosite diverse tehnici.
Pe lângă excitația directă a atomilor elementului determinată de radiația primară cu raze X, pot fi observate o serie de alte efecte care încalcă dependența liniară a intensității liniei caracteristice de concentrația elementului. Intensitatea depinde nu numai de conținutul atomilor analizați în probă, ci și de procesele de absorbție și împrăștiere a acestei substanțe, care împreună dau așa-numita atenuare.
SLĂBIRE
Dacă un fascicul de raze X direcționat trece printr-un strat de materie cu grosimea D și densitatea c, atunci intensitatea acestuia scade exponențial:
Eu= I0e-µD
unde µ este coeficientul de atenuare, care este un parametru al materialului și depinde și de lungimea de undă a radiației cu raze X. Coeficientul µ este proporțional cu c și crește rapid odată cu creșterea numărului de serie al elementului și a lungimii de undă a razelor X. Raportul µ / s se numește factor de atenuare a masei. Vezi fig 2
După cum sa menționat mai devreme, atenuarea este o combinație de două procesele fizice- absorbție și împrăștiere, adică coeficientul de atenuare este:
unde f este coeficientul de absorbție; y este coeficientul de împrăștiere.
Principalul lucru este că fracția de φ crește odată cu creșterea Z și n și că această componentă domină peste y în intervalul de lungimi de undă tipic pentru analiza fluorescenței cu raze X (cu excepția celor mai ușoare elemente, cum ar fi carbonul). Prin urmare, în practica analizei fluorescenței cu raze X, atenuarea este identică cu absorbția.
ABSORBŢIE
Absorbția are loc atunci când cantitățile de radiații externe incidente pe un material scot electroni din învelișul atomic.
În acest caz, energia cuantelor de radiație este cheltuită, pe de o parte, pentru extragerea (funcția de lucru) a electronilor din atomi și, pe de altă parte, pentru a le transmite energie cinetică.
Coeficientul φ introdus mai devreme este o funcție a lungimii de undă a radiației. Figura 3 arată, ca exemplu, dependența coeficientului de absorbție a masei φ de l sau așa-numitul spectru de absorbție.
Curba nu este netedă. Există salturi în spectru, numite margini de absorbție, care apar din cauza naturii cuantice a absorbției, iar spectrul de absorbție se spune că este liniar.
Marginea de absorbție este o caracteristică individuală a atomilor corespunzătoare valorii energetice la care există o schimbare bruscă a coeficientului de absorbție. Această caracteristică de absorbție are o explicație fizică simplă. La energiile fotonice care depășesc energia de legare a electronilor de pe carcasa K, secțiunea transversală de absorbție pentru electronii de pe carcasa L este cu cel puțin un ordin de mărime mai mică decât pentru carcasa K.
Pe măsură ce energia cuantelor de raze X scade și se apropie de energia de detașare a electronilor din învelișul K, absorbția crește în conformitate cu formula, unde coeficientul C este dat pentru învelișul K.
fm = CNZ4ln / A
unde N este numărul lui Avogadro, Z este numărul atomic al elementului absorbant, A este greutatea sa atomică, l este lungimea de undă, n este un exponent care ia valori între 2,5 și 3,0, iar C este o constantă care scade brusc atunci când trecând prin muchia de absorbție.
Cu o scădere a energiei cuantelor de raze X sub energia de legare a unui electron de pe carcasa K (~ 20 keV), are loc o scădere bruscă a absorbției. întrucât razele X cu energie mai mică pot interacționa doar cu electronii de pe carcasele L și M. În procesul de scădere suplimentară a energiei, absorbția crește din nou în conformitate cu formula, în care coeficientul C este stabilit deja pentru L-shell. Această creștere continuă până la salturi corespunzătoare energiilor de legare ale electronilor de pe cochilii L. Mai mult, acest proces are loc pentru electronii de pe carcase M etc.
ÎMPĂRȚIRE
Fenomenul în care un fascicul de raze X își schimbă direcția atunci când interacționează cu materia se numește împrăștiere. Dacă radiația împrăștiată are aceeași lungime de undă ca cea primară, atunci procesul se numește elastic sau dispersie Rayleigh. Răspândirea elastică are loc pe electroni legați, este utilizată pentru a stabili structura cristalină a unei substanțe utilizând metode de difracție cu raze X. Dacă lungimea de undă a radiației împrăștiate este mai mare decât lungimea de undă a radiației primare, atunci procesul se numește împrăștiere inelastică sau Compton. Răspândirea inelastică este rezultatul interacțiunii razelor X cu electroni externi legați slab.
Deși împrăștierea este mică în comparație cu absorbția, apare în toate cazurile, inclusiv analiza fluorescenței cu raze X. Împreună cu radiația caracteristică de raze X care apare în timpul excitației fluorescente, radiația împrăștiată formează un câmp de radiație secundară, care este înregistrat de spectrometru. Cu toate acestea, analiza fluorescenței cu raze X utilizează în principal radiații fluorescente caracteristice, împrăștiată este cel mai adesea o interferență care formează un fundal, strălucire în spectru. Este de dorit să existe o radiație împrăștiată cât mai redusă posibil.
Conținutul articolului
ABSORBȚIA RADIAȚIEI RADIULUI X ÎN SUBSTANȚĂ. Când se studiază interacțiunea razelor X cu o substanță (solidă, lichidă sau gazoasă), se înregistrează intensitatea radiației transmise sau difractate. Această intensitate este integrală și este asociată cu diverse procese de interacțiune. Pentru a separa aceste procese unele de altele, se utilizează dependențele lor de condițiile experimentale și caracteristici fizice obiectul studiat.
Efectul împrăștierii cu raze X este asociat cu faptul că forțele variabilei câmp electromagnetic generate de un fascicul de raze X, electronii din materialul investigat sunt stabiliți în mișcare vibrațională. Electronii oscilanți emit raze X de aceeași lungime de undă ca cele primare, în timp ce raportul dintre puterea razelor împrăștiate de 1 g de materie și intensitatea radiației incidente este de aproximativ 0,2. Acest coeficient crește ușor pentru razele X cu lungime de undă lungă (radiații moi) și scade pentru lungimi de undă scurte (radiații dure). În acest caz, razele sunt împrăștiate cel mai puternic în direcția fasciculului de raze X incident (și în direcție inversă) și cel mai slab (de 2 ori) în direcția perpendiculară pe primar.
Efectul fotoelectric apare atunci când absorbția radiațiilor cu raze X incidente este însoțită de eliberarea de electroni. După ejectarea electronului intern, are loc o revenire la o stare staționară. Acest proces poate avea loc fie fără radiații cu ejecția unui al doilea electron (efect Auger), fie poate fi însoțit de radiații cu raze X caracteristice ale atomilor materialului ( cm... RADIUL X). Acest fenomen este similar în natură cu fluorescența. Fluorescența cu raze X poate apărea numai atunci când radiația caracteristică cu raze X a unui element este expusă unui obstacol de la un element mai ușor (cu un număr atomic mai mic).
Absorbția totală a razelor X este determinată de însumarea tuturor tipurilor de interacțiuni care atenuează intensitatea razelor X. Pentru a evalua atenuarea intensității radiațiilor cu raze X la trecerea prin substanță, se utilizează un coeficient de atenuare liniar, care caracterizează scăderea intensității radiației la trecerea prin 1 cm din substanță și este egal cu logaritmul natural al raportul intensităților incidentului și al radiației transmise. În plus, grosimea stratului de jumătate de absorbție este utilizată ca o caracteristică a capacității unei substanțe de a absorbi radiațiile incidente, adică grosimea stratului, la trecerea prin care intensitatea radiației este înjumătățită.
Mecanismele fizice de împrăștiere a razelor X și apariția radiațiilor caracteristice secundare sunt diferite, dar în toate cazurile depind de numărul de atomi ai substanței care interacționează cu radiația cu raze X, adică pe densitatea substanței, prin urmare, caracteristica universală a absorbției este coeficientul de absorbție a masei - adevăratul coeficient de absorbție legat de densitatea substanței.
Coeficientul de absorbție din aceeași substanță scade odată cu scăderea lungimii de undă a razelor X, cu toate acestea, la o anumită lungime de undă, există o creștere bruscă (salt) a coeficientului de absorbție, după care continuă să scadă (Fig.). Cu un salt, coeficientul de absorbție crește de mai multe ori (uneori cu un ordin de mărime) și cu o valoare diferită pentru diferite substanțe. Apariția unui salt de absorbție este asociată cu faptul că la o anumită lungime de undă se excită radiația caracteristică cu raze X a substanței iradiate, ceea ce crește brusc pierderea de energie în timpul trecerii radiației. În cadrul fiecărei secțiuni a curbei dependenței coeficientului de absorbție de lungimea de undă (înainte și după saltul de absorbție), coeficientul de absorbție a masei se modifică proporțional cu cubul lungimii de undă a radiației cu raze X și numărul atomic al elementului chimic (material de barieră).
Când radiațiile cu raze X non-monocromatice, de exemplu, radiațiile cu spectru continuu, trec printr-o substanță, apare un spectru de coeficienți de absorbție, în timp ce radiațiile cu unde scurte sunt absorbite mai slabe decât radiațiile cu unde lungi și ca grosime a bariera crește, coeficientul de absorbție rezultat se apropie de valoarea caracteristică a radiației cu unde scurte. Dacă o substanță este formată din mai multe elemente chimice, atunci coeficientul total de absorbție depinde de numărul atomic al fiecărui element și de cantitatea acestui element din substanță.
Calculele absorbției radiațiilor cu raze X într-o substanță au mare importanță pentru inspecția cu raze X. În prezența unui defect (de exemplu, un por sau o cavitate) într-o placă metalică, intensitatea radiației transmise crește și atunci când este pornită de la un element mai greu, aceasta scade. Cunoscând valoarea coeficientului de absorbție, este posibil să se calculeze dimensiunile geometrice ale defectului intern.
Filtre cu raze X.
La examinarea materialelor folosind raze X, interpretarea rezultatelor este complicată de prezența mai multor lungimi de undă. Pentru izolarea lungimilor de undă individuale, se utilizează filtre cu raze X realizate din substanțe cu coeficienți de absorbție diferiți pentru lungimi de undă diferite, folosind faptul că o creștere a lungimii de undă a radiației este însoțită de o creștere a coeficientului de absorbție. De exemplu, pentru aluminiu, coeficientul de absorbție al radiației cu raze X din seria K de la un anod de fier (l = 1,932 A) este mai mare decât pentru radiația din seria K de la un anod de molibden (l = 0,708 A) și, cu un aluminiu grosimea filtrului de 0,1 mm, atenuarea radiației din anodul de fier este de 10 ori mai mare decât pentru radiația molibdenului.
Prezența unui salt de absorbție pe curba coeficientului de absorbție față de lungimea de undă face posibilă obținerea unor filtre absorbante selectiv dacă lungimea de undă a radiației filtrate se află direct în spatele saltului de absorbție. Acest efect este utilizat pentru a filtra componenta b a seriei K de radiații, care este de 5 ori mai slabă ca intensitate decât componenta a. Dacă alegem materialul filtrant adecvat astfel încât componentele a și b să fie pe laturile opuse ale saltului de absorbție, atunci intensitatea componentei b scade de câteva ori. Un exemplu este problema filtrării radiației b a cuprului, în care lungimea de undă a radiației a din seria K este de 1.539 A., adică este situat între lungimile de undă a și b radiații de cupru, în regiunea saltului de absorbție, coeficientul de absorbție crește cu un factor de 8, astfel încât intensitatea radiației b se dovedește a fi de zeci de ori mai mică decât intensitatea unui radiații.
Când razele X interacționează cu un solid, pot apărea leziuni ale radiației structurii asociate cu mișcarea atomilor. Centrii de culoare apar în cristalele ionice, fenomene similare sunt observate în ochelari și proprietățile mecanice se schimbă în polimeri. Aceste efecte sunt asociate cu eliminarea atomilor din pozițiile lor de echilibru din rețeaua cristalină. Ca urmare, se formează locuri libere - absența atomilor în poziții de echilibru în rețeaua cristalină și a atomilor interstițiali care se află într-o poziție de echilibru în rețeaua. Efectul colorării cristalelor și sticlei sub acțiunea radiațiilor cu raze X este reversibil și în majoritatea cazurilor dispare la încălzire sau expunere prelungită. Modificarea proprietăților mecanice ale polimerilor la iradierea cu raze X este asociată cu ruperea legăturilor interatomice.
Direcția principală a studiului interacțiunii radiației cu raze X cu un solid este analiza structurală cu raze X, cu ajutorul căreia sunt investigate dispunerea atomilor într-un solid și modificările sale sub influențe externe.
O metodă pentru studierea structurilor moleculare, adică determinarea poziției atomilor într-o moleculă și a naturii lor folosind raze X, a primit denumirea de analiză structurală cu raze X. Pentru studiul structurilor biologice se poate folosi fenomene diverse interacțiunea radiațiilor cu raze X cu materia: absorbție, împrăștiere și difracție, inactivare (modificări în structura moleculelor și funcțiile acestora părți componente sub acțiunea razelor X). Metoda de împrăștiere și difracție a razelor X utilizează proprietățile lor de undă. Razele X împrăștiate de atomii care alcătuiesc moleculele interferează și dau o imagine - un Lauegram, în care poziția și intensitatea maximelor depind de poziția atomilor din moleculă și de dispoziție reciprocă molecule. Dacă moleculele sunt aranjate haotic, de exemplu, în soluții, atunci împrăștierea nu depinde de structura internă a moleculelor, ci în principal de mărimea și forma lor.
Absorbția radiațiilor cu raze X într-o substanță este însoțită de formarea de fotoelectroni, electroni Auger și emisia de fotoni secundari de către atomii substanței.
Coeficientul de absorbție a radiației cu raze X de către o substanță scade odată cu creșterea frecvenței acesteia. Un fascicul de raze X direcționat cu o secțiune transversală de 1 cm2, care trece printr-un strat de materie, este slăbit ca urmare a interacțiunii cu atomii săi. Cu numerele ordinale ale elementelor 10 - 35 și lungimea razelor X 0 1 - 1 0, rolul predominant în procesele de atenuare este jucat de adevărata absorbție a razelor X.
Diagnosticare cu raze X
Recunoașterea modificărilor și a bolilor țesuturilor și organelor prin radiografie.
Interacțiunea radiațiilor cu raze X cu țesuturile biologice.
Terapia cu raze X este o metodă de tratare a diferitelor boli folosind raze X. Generatorul de raze X este un tub special de raze X cu o substanță radioactivă. În principal, terapia cu raze X este utilizată pentru a trata boli oncologice... Un astfel de tratament se bazează pe faptul că radiațiile ionizante au capacitatea de a avea un efect dăunător asupra celulelor, provocând diferite mutații incompatibile cu viabilitatea celulelor și cu cât procesele de reproducere și creștere sunt mai active, cu atât efectul radiații.
Trebuie remarcat faptul că terapia cu raze X este utilizată nu numai pentru tratamentul tumorilor, ci și pentru tratamentul altor boli. Această metodă de tratare a patologiei de origine non-neoplazică este utilizată atunci când alte metode sunt ineficiente. Cel mai adesea, oamenii devin pacienți în astfel de cazuri. vârsta de pensionare, cărora, din cauza contraindicațiilor pentru utilizarea diferitelor proceduri terapeutice, li se prescrie un curs de terapie cu raze X. Avantajele acestei metode de tratament includ un minim de contraindicații, precum și efecte antiinflamatorii, antialergice și analgezice. În plus, pentru tratamentul bolilor non-neoplazice, dozele de radiații sunt suficient de mici, astfel încât efectele secundare caracteristice „radiației” sunt rareori observate la astfel de pacienți.
Radioactivitate. Legea de bază a decăderii radioactive. Jumătate de viață. Izotopii, aplicarea lor în medicină.
Legea decăderii radioactive caracterizat prin faptul că pentru un anumit timp activitatea unui izotop dat scade întotdeauna cu aceeași fracțiune, indiferent de amploarea activității.
Utilizarea izotopilor în medicină
Astăzi, metodele de cercetare și tratament cu radionuclizi sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale medicinei științifice și practice - în oncologie, cardiologie, hepatologie, urologie și nefrologie, pulmonologie, endocrinologie, traumatologie, neurologie și neurochirurgie, pediatrie, alergologie, hematologie, imunologie clinică etc. .
Activitatea substanței radioactive. Unități.
o măsură a radioactivității unei substanțe, exprimată prin numărul de descompuneri ale nucleilor săi pe unitate de timp; măsurat în curie (Ci): 1 Ci3 7 - 1010 dec (microcurie, microcurie); A. r. v. luate în considerare, de exemplu, la alegerea unui medicament radiofarmaceutic, la evaluarea pericolului de a lucra cu o substanță radioactivă etc.