Наши задачи: коротко о свойствах рентгеновского излучения и его применении в физических исследованиях.
Открытое в 1895 году Вильгельмом Рентгеном излучение – это электромагнитное излучение, которое возникает при облучении электронами металлической мишени. На шкале электромагнитных волн (рисунок ниже) рентгеновское излучение (РИ) занимает область между УФ-излучением и γ-излучением.
Вильгельм Рентген стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
1901
(в знак признания выдающихся заслуг, которые он оказал открытием замечательных лучей, впоследствии названных его именем)
Рентгеновское излучение лежит в диапазоне длин волн примерно от 10 до 10-3 нм, что по энергии фотонов соответствует области от 100 эВ до 250 кэВ. Однако четких границ здесь нет; так, фотоны в синхротронном излучении (тормозном спектре) могут обладать энергией, большей 1 МэВ. Рентгеновский диапазон обычно делится на две части, λ < 0.2 нм соответствует жесткому излучению, λ > 0.2 нм – мягкому.
Посмотреть, как выглядит рентгеновская трубка, и включить - выключить ее вы можете в виртуальной лаборатории.
Спектральный анализ показал, что есть две компоненты излучения - тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение
Сплошной спектр - это излучение тормозящихся электронов (как известно, заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны). Коротковолновая граница тормозного спектра обрывается при энергии, равной максимальной кинетической энергии заряженной частицы. Минимальная длина волны тормозного излучения связана с ускоряющим напряжением электронов простой формулой (λ в нм, U в кВ)
(1)
Характеристическое излучение
На фоне непрерывного изменения интенсивности имеются резкие пики. Пики - это излучение, возникающее при переходе электронов с верхних энергетических уровней на уровни с главным квантовым числом n = 1, 2,... Вакантные места на последних создаются при столкновении с атомом налетающих электронов. Положение пиков свое для каждого материала, отсюда и название - характеристическое. Все переходы на уровень с n = 1 (К - уровень) относят к К-серии, на уровень с n = 2 (L - уровень) - к L-серии, и так далее. Внутри серии линии обозначают греческими буквами α, β, γ, ... Так что Kα - линия в К-серии с наибольшей длиной волны (и наименьшей частотой).
Чем больше атомный номер атома Z, тем больше заряд ядра и сильнее связь электронов с ядром. Поэтому при образовании вакансии на внутренней оболочке заполнение ее внешним электроном сопровождается испусканием кванта с бо́льшей частотой. Связь частоты характеристического излучения ν с атомным номеромZ известна как закон Мозли:
где a и σ- константы. σ учитывает экранирование ядра электронами, расположенными ближе к ядру. Для К оболочки σk = 1, для L оболочки σl = 7.5. Закон Мозли позволяет определить атомный номер химического элемента по наблюдаемому спектру характеристического излучения. Это сыграло большую роль при размещении элементов в периодической системе и анализе веществ, измеряем частоту => устанавливаем Z и состав вещества.
Структура спектра относительно проста (на движение внутренних электронов слабо сказываются внешние удаленные). Выражение для частоты подобно таковому для водородоподобных атомов:
где для К-серии n1 = 1, n2 = 2, 3..., а для L-серии n1 = 2, n2 = 3, 4....
Рентгеновские лучи обладают проникающей способностью, тем более сильной, чем жестче они (чем короче их длина волны). Это свойство послужило причиной широкого использования рентгеновского излучения в различных аппаратах, – от рентгеновского томографа в медицине до приборов количественного элементного анализа высокой точности. Всем знакома флюорография. При этом обследовании изображение, полученное на экране, фотографируется на чувствительную малоформатную пленку. Флюорография широко используется при массовом обследовании населения. Она заменила рентгеноскопию, в которой изображение формируется на флуоресцирующем экране. Яркость изображения невелика, и его можно рассматривать только в затемненном помещении. Врач должен быть защищен от облучения.
Поскольку длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что постоянная кристаллической решетки (~10-10 м), можно наблюдать явление дифракции. Структура наблюдаемой дифракционной картины определяется закономерностями расположения атомов и молекул. По этой причине явление дифракции электромагнитных волн может быть использовано для исследования структуры строения вещества, а при известной структуре кристалла - для изучения спектрального состава излучения естественных и искусственных источников излучения.
Получите формулу (1).
Сравните частоты К и L серий.
Какое применение находят рентгеновскому излучению в криминалистике?
Как рентгеновскоме излучение может помочь геологам?
Что имется в виду, когда говорят о К, L оболочках атома? Сколько там может быть электронов?
Какие эффекты приводят к ослаблению потока рентгеновского излучения в теле человека?
Если возникли вопросы, напишите.