Рентгенівські промені
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Рентгенівські промені

Рентгенівські промені, рентгенівське випромінювання, електромагнітне іонізуюче випромінювання, що займає спектральну область між гамма- і ультрафіолетовим випромінюванням в межах довжин хвиль від 10 -4 до 10 3  (від 10 -12 до 10 -5 см ) . Р. л. з довжиною хвилі l < 2  умовно називаються жорсткими, з l > 2  — м'якими. Р. л. відкриті в 1895 Ст До. Рентгеном і названі ним Х-променямі (цей термін застосовується в багатьох країнах). Протягом 1895—97 Рентген досліджував властивості Р. л. і створив перші рентгенівські трубки. Він виявив, що жорсткі Р. л. проникають через різні матеріали і м'які тканини людського тіла (це властивість Р. л. швидко знайшло вживання в медицині). Відкриття Р. л. привернуло увагу учених всього світу, і вже в 1896 було опубліковано понад 1000 робіт по дослідженням і вживанням Р. л. Електромагнітна природа Р. л. була передбачена Дж. Стоксом і експериментально підтверджена Ч. Баркла, що відкрив їх поляризацію. У 1912 йому.(німецький) фізики М. Лауе, В. Фрідріх і П. Кніппінг виявили дифракцію Р. л. на атомним гратам кристалів (див. Дифракція рентгенівських променів ) . В 1913 Р. Ст Вульф і незалежно від нього В. Л. Брег знайшли просту залежність між кутом дифракції, довжиною хвилі Р. л. і відстанню між сусідніми паралельними атомними плоскістю кристала (див. Брега — Вульфа умова ) . Ці роботи послужили основою для рентгенівського структурного аналізу. У 20-х рр. почалося вживання рентгенівських спектрів для елементного аналізу матеріалів, а в 30-х рр. — до дослідження електронної енергетичної структури речовини. У СРСР в розвитку досліджень і вживанні Р. л. велику роль зіграв Фізіко-технічній інститут, заснований А. Ф. Іоффе .

загрузка...

  Джерела Р. л . Найбільш поширене джерело Р. л. — рентгенівська трубка . Як джерела Р. л. можуть служити також деякі радіоактивні ізотопи : одні з них безпосередньо випускають Р. л., ядерні випромінювання інших (електрони або а-частки) бомбардують металеву мішень, яка випускає Р. л. Інтенсивність рентгенівського випромінювання ізотопних джерел на декілька порядків менше інтенсивності випромінювання рентгенівської трубки, але габарити, вага і вартість ізотопних джерел незрівнянно менше, ніж установки з рентгенівською трубкою.

  Джерелами м'яких Р. л. з l порядка десятки і сотні  можуть служити синхротрони і накопичувачі електронів з енергіями в декілька Гев. По інтенсивності рентгенівське випромінювання синхротронів перевершує у вказаної області спектру випромінювання рентгенівської трубки на 2—3 порядки.

  Природні джерела Р. л. — Сонце і інші космічні об'єкти.

  Властивості Р. л. Залежно від механізму виникнення Р. л. їх спектри можуть бути безперервними (гальмівними) або лінійчатими (характеристичними). Безперервний рентгенівський спектр випускають швидкі заряджені частки в результаті їх гальмування при взаємодії з атомами мішені (див. Гальмівне випромінювання ) ; цей спектр досягає значної інтенсивності лише при бомбардуванні мішені електронами. Інтенсивність гальмівних Р. л. розподілена по всіх частотах до високочастотного кордону n 0 , на якій енергія фотонів h n 0 ( h — Планка постійна ) дорівнює енергії ev бомбардуючих електронів ( е — заряд електрона, V — різниця потенціалів прискорюючого поля, пройденная ними). Цій частоті відповідає короткохвильовий кордон спектру l 0 = hc/ev ( з — швидкість світла).

  Лінійчате випромінювання виникає після іонізації атома з викиданням електрона однієї з його внутрішніх оболонок. Така іонізація може бути результатом зіткнення атома з швидкою часткою, наприклад електроном (первинні Р. л.), або поглинання атомом фотона (флуоресцентні Р. л.). Іонізованний атом опиняється в початковому квантовому перебуванні на одному з високих рівнів енергії і через 10 -16 —10 -15 сік переходить в кінцевий стан з меншою енергією. При цьому надлишок енергії атом може випустити у вигляді фотона певної частоти. Частоти ліній спектру такого випромінювання характерні для атомів кожного елементу, тому лінійчатий рентгенівський спектр називається характеристичним. Залежність частоти n ліній цього спектру від атомного номера Z визначається Мозлі законом :  = AZ + В, де А і В — величини, постійні для кожної лінії спектру.

  Гальмівне рентгенівське випромінювання, що випускається дуже тонкими мішенями, повністю поляризоване поблизу n 0 ; із зменшенням n міра поляризації падає. Характеристичне випромінювання, як правило, не поляризоване.

  При взаємодії Р. л. з речовиною може відбуватися фотоефект, супроводжуюче його поглинання Р. л. і їх розсіяння, фотоефект спостерігається у тому випадку, коли атом, поглинаючи рентгенівський фотон, викидає один зі своїх внутрішніх електронів, після чого може зробити або випромінювальний перехід, випустивши фотон характеристичного випромінювання, або викинути другий електрон безвипромінювальному переході (оже-електрон). Під дією Р. л. на неметалічні кристали (наприклад, на кам'яну сіль) в деяких вузлах атомних грат з'являються іони з додатковим позитивним зарядом, а поблизу них виявляються надлишкові електрони. Такі порушення структури кристалів, звані рентгенівськими екситонами, є центрами забарвлення і зникають лише при значному підвищенні температури.

  При проходженні Р. л. через шар речовини товщиною х їх початкова інтенсивність I 0 зменшується до величини I = I 0 e - m x де m — коефіцієнт ослабіння. Ослабіння I відбувається за рахунок двох процесів: поглинання рентгенівських фотонів речовиною і зміни їх напряму при розсіянні. У довгохвильової області спектру переважає поглинання Р. л., у короткохвильовій — їх розсіяння. Міра поглинання швидко зростає із збільшенням Z і l . Наприклад, жорсткі Р. л. вільно проникають через шар повітря ~ 10 см; алюмінієва пластинка в 3 см товщиною ослабляє Р. л. з l = 0,027  удвічі; м'які Р. л. значно поглинаються в повітрі і їх використання і дослідження можливе лише у вакуумі або в слабо поглинаючому газі (наприклад, Не). При поглинанні Р. л. атоми речовини іонізуются.

  Вплив Р. л. на живі організми може бути корисним і шкідливим залежно від викликаної ними іонізації в тканинах. Оскільки поглинання Р. л. залежить від l, інтенсивність їх не може служити мірою біологічної дії Р. л. Кількісним обліком дії Р. л. на речовину займається рентгенометрія, одиницею його виміру служить рентген .

  Розсіяння Р. л. в області великих Z і l відбувається в основному без зміни l і носить назву когерентного розсіяння, а в області малих Z і l, як правило, зростає (некогерентне розсіяння). Відомо 2 види некогерентного розсіяння Р. л. — комптонівське і комбінаційне. При комптонівському розсіянні, що носить характер непружного корпускулярного розсіяння, за рахунок частковий втраченою рентгенівським фотоном енергії з оболонки атома вилітає електрон віддачі (див. Комптона ефект ) . При цьому зменшується енергія фотона і змінюється його напрям; зміна l залежить від кута розсіяння. При комбінаційному розсіянні рентгенівського фотона високої енергії на легкому атомі невелика частина його енергії витрачається на іонізацію атома і міняється напрям руху фотона. Зміна таких фотонів не залежить від кута розсіяння.

  Показник заломлення n для Р. л. відрізняється від 1 на дуже малу величину d = 1— n » 10 -6 —10 -5 . Фазова швидкість Р. л. у середовищі більше швидкості світла у вакуумі. Відхилення Р. л. при переході з одного середовища в іншу дуже мало (декілька кутових хвилин). При падінні Р. л. з вакууму на поверхню тіла під дуже малим кутом відбувається їх повне зовнішнє віддзеркалення.

  Реєстрація Р. л. Око людини до Р. л. не чутливий. Р. л. реєструють за допомогою спеціальної рентгенівської фотоплівки, що містить підвищену кількість Agbr. В області l < 0,5  чутливість цих плівок швидко падає і може бути штучно підвищена щільно притиснутим до плівки флуоресціюючим екраном. У області l > 5  чутливість звичайної позитивної фотоплівки досить велика, а її зерна значно менше зерен рентгенівської плівки, що підвищує дозвіл. При l порядка десятки і сотні  Р. л. діють лише на якнайтонший поверхневий шар фотоемульсії; для підвищення чутливості плівки її сенсибілізіруют люмінесцирующимі маслами (див. Сенсибілізація ) . В рентгенодіагностиці і дефектоскопії для реєстрації Р. л. інколи застосовують електрофотографію (електрорентгенографію).

  Р. л. великих інтенсивностей можна реєструвати за допомогою іонізаційної камери, Р. л. середніх і малих інтенсивностей при l < 3  — сцинтиляційним лічильником з кристалом NAI (Tl), при 0,5 < l < 5 — Гейгера — Мюллера лічильником і відпаяним пропорційним лічильником, при 1 < l < 100 — проточним пропорційним лічильником, при l < 120 — напівпровідниковим детектором . В області дуже великих l (від десятків до 1000 ) для реєстрації Р. л. можуть бути використані вторинно-електронні помножувачі відкритого типа з різними фотокатодами на вході.

  Вживання Р. л. Найбільш широке вживання Р. л. знайшли в медицині для рентгенодіагностики і рентгенотерапії . Важливе значення для багатьох галузей техніки має рентгенівська дефектоскопія, наприклад для виявлення внутрішніх пороків відливань (раковин, включень шлаку), тріщин в рейках, дефектів зварних швів.

  Рентгенівський структурний аналіз дозволяє встановити просторове розташування атомів в кристалічній решітці мінералів і з'єднань, в неорганічних і органічних молекулах. На основі багаточисельних вже розшифрованих атомних структур може бути вирішена і зворотне завдання: по рентгенограмі полікристалічної речовини, наприклад легованої сталі, сплаву, руди, місячного грунту, може бути встановлений кристалічний склад цієї речовини, тобто виконаний фазовий аналіз (див. Дебая — Шеррера метод ) . Багаточисельними вживаннями Р. л. для вивчення властивостей твердих тіл займається рентгенографія матеріалів .

  Рентгенівська мікроскопія дозволяє, наприклад, отримати зображення клітки, мікроорганізму, побачити їх внутрішню будову. Рентгенівська спектроскопія по рентгенівських спектрах вивчає розподіл щільності електронних станів по енергіях в різних речовинах, досліджує природу хімічного зв'язку, знаходить ефективний заряд іонів в твердих тілах і молекулах. Спектральний аналіз рентгенівський по положенню і інтенсивності ліній характеристичного спектру дозволяє встановити якісний і кількісний склад речовини і служить для експресного неруйнівного контролю складу матеріалів на металургійних і цементних заводах, збагачувальних фабриках. При автоматизації цих підприємств застосовуються як датчики складу речовини рентгенівські спектрометри і квантометри (див. Спектральна апаратура рентгенівська ) .

  Р. л., що приходять з космосу, несуть інформацію про хімічний склад космічних тіл і про фізичні процеси, що відбуваються в космосі. Дослідженням космічних Р. л. займається рентгенівська астрономія . Потужні Р. л. використовують в радіаційній хімії для стимулювання деяких реакцій, полімеризації матеріалів, крекінгу органічних речовин. Р. л. застосовують також для виявлення старовинного живопису, прихованого під шаром пізнього розпису, в харчовій промисловості для виявлення чужорідних предметів, що випадково попали в харчові продукти, в криміналістиці, археології і ін.

 

  Літ.: Блохин М. А., Фізика рентгенівських променів, 2 видавництва, М., 1957; його ж, Методи рентгено-спектральніх досліджень, М., 1959; Рентгенівські промені. Сб. під ред. М. А. Блохина, пер.(переведення) з йому.(німецький) і англ.(англійський), М., 1960; Хараджа Ф., Загальний курс рентгенотехніки, 3 видавництва, М. — Л., 1966; Міркин Л. І., Довідник по рентгено-структурному аналізу полікрісталлов, М., 1961; Вайнштейн Е. Е., Кахана М. М., Довідкові таблиці по рентгенівській спектроскопії, М., 1953.

  М. А. Блохин.