рентгенівські промені

Рентген е ського промінь і, рентгенівське випромінювання, електромагнітне іонізуюче випромінювання, що займає спектральну область між гамма і ультрафіолетовим випромінюванням в межах довжин хвиль від 10-4 до 103 (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 В. К. рентгеном і названі ним Х-променями (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 застосування в медицині). Відкриття Р. л. привернуло увагу вчених усього світу, і вже в 1896 було опубліковано понад 1000 робіт з досліджень та застосуванням Р. л. Електромагнітна природа Р. л. була передбачена Дж. Стоксом і експериментально підтверджена Ч. Баркла , Який відкрив їх поляризацію. У 1912 ньому. фізики М. Лауе , В. Фрідріх і П. Кніппінг виявили дифракцію Р. л. на атомній решітці кристалів (див. Дифракція рентгенівських променів ). У 1913 Г. В. Вульф і незалежно від нього У. Л. Брегг знайшли просту залежність між кутом дифракції, довжиною хвилі Р. л. і відстанню між сусідніми паралельними атомними площинами кристала (див. Брегга - 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. В СРСР в розвитку досліджень і застосуванні Р. л. велику роль зіграв Фізико-технічний інститут , Заснований А. Ф. Іоффе .

Джерела Р. л. Найбільш поширений 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 a-частинки) бомбардують металеву мішень, яка випускає Р. л. Інтенсивність рентгенівського випромінювання ізотопних джерел на кілька 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 порядку десятків і сотень можуть служити синхротрони і накопичувачі електронів з енергіями в кілька Гев. За інтенсивністю рентгенівське випромінювання синхротронів перевершує в зазначеній галузі спектра 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 частинки 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 високочастотної кордону n 0, на якій енергія фотонів h n 0 (h - планка постійна ) Дорівнює енергії eV бомбардують електронів (е - заряд електрона, V - різниця потенціалів прискорюючого поля, пройдена ними). Цій частоті відповідає короткохвильова межа спектра l 0 = hc / eV (с - швидкість світла).

Лінійчатим випромінювання виникає після іонізації атома з викиданням електрона однією з його внутрішніх оболонок. Така іонізація може бути результатом зіткнення атома з швидкою частинкою, наприклад електроном (первинні Р. л.), Або поглинання атомом фотона (флуоресцентні Р. л.). Іонізований атом виявляється в початковому квантовому стані на одному з найвищих рівнів енергії і через 10-16-10-15 сек переходить в кінцевий стан з меншою енергією. При цьому надлишок енергії атом може випустити у вигляді фотона певної частоти. Частоти ліній спектра такого випромінювання характерні для атомів кожного елемента, 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 спектра.

Гальмівний рентгенівське випромінювання, що випускається дуже тонкими мішенями, повністю поляризоване поблизу n 0; зі зменшенням n ступінь поляризації падає. Характеристичне випромінювання, як правило, не поляризоване.

При взаємодії Р. л. з речовиною може відбуватися фотоефект , Що супроводжує його поглинання Р. л. і їх розсіювання, фотоефект спостерігається в тому випадку, коли атом, поглинаючи рентгенівський фотон, викидає один зі своїх внутрішніх електронів, після чого може зробити або радіаційний перехід, випустивши фотон характеристичного випромінювання, або викинути другий електрон при безизлучательним переході (оже-електрон). Під дією Р. л. на неметалеві 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 I0 зменшується до величини I = I0e- m x де m - коефіцієнт ослаблення. Ослаблення I відбувається за рахунок двох процесів: поглинання рентгенівських фотонів речовиною і зміни їх напрямку при розсіянні. У довгохвильовій області спектра переважає поглинання Р. л., В короткохвильового - їх розсіювання. Ступінь поглинання швидко зростає зі збільшенням Z і l. Наприклад, жорсткі Р. л. вільно проникають через шар повітря ~ 10 см; алюмінієва пластинка в 3 см завтовшки послаблює Р. л. з l = 0,027 вдвічі; м'які Р. л. значно поглинаються в повітрі і їх використання та дослідження можливо лише в вакуумі або в слабо поглинає газ (наприклад, Не). При поглинанні Р. л. атоми речовини іонізуются.

Вплив Р. л. на живі організми може бути корисним і шкідливим в залежності від викликаної ними іонізації в тканинах. Оскільки поглинання Р. л. залежить від l, інтенсивність їх не може служити мірою біологічної дії Р. л. Кількісним урахуванням дії Р. л. на речовина займається Рентгенометри , Одиницею його виміру служить рентген .

Розсіювання Р. л. в області великих Z і l відбувається в основному без зміни l і носить назву когерентного розсіювання, а в області малих Z і l, як правило, зростає (некогерентного розсіювання). Відомо 2 види некогерентного розсіювання Р. л. - комптонівське і комбінаційний. При комптонівське розсіювання, що носить характер непружного корпускулярного розсіяння, за рахунок частково втраченої 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 розсіювання. При комбінаційному розсіянні рентгенівського фотона високої енергії на легкому атомі невелика частина його енергії витрачається на іонізацію атома і змінюється напрямок руху фотона. Зміна таких фотонів не залежить від кута розсіювання.

Показник заломлення n для Р. л. відрізняється від 1 на дуже малу величину d = 1 n »10-6-10-5. Фазова швидкість Р. л. в середовищі більше швидкості світла у вакуумі. Відхилення Р. л. при переході з одного середовища в іншу дуже мало (кілька 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 флуоресцирующим екраном. В області l> 5 чутливість звичайної позитивної фотоплівки досить велика, а її зерна значно менше зерен рентгенівської плівки, що підвищує дозвіл. При l порядку десятків і сотень Р. л. діють тільки на найтонший поверхневий шар фотоемульсії; для підвищення чутливості плівки її сенсибилизируют люминесцирующими маслами (див. сенсибілізація ). У рентгенодиагностике і дефектоскопії для реєстрації Р. л. іноді застосовують електрофотографії (Електрорентгенографія).

Р. л. великих інтенсивностей можна реєструвати за допомогою іонізаційнийкамери , Р. л. середніх і малих інтенсивностей при l <3 - сцинтиляційним лічильником з кристалом NaI (Tl), при 0,5 <l <5 - Гейгера - Мюллера лічильником і відпаяні пропорційним лічильником , При 1 <l <100 - проточним пропорційним лічильником, при l <120 - напівпровідникових детектором . В області дуже великих l (від десятків до 1000 ) Для реєстрації Р. л. можуть бути використані вторинно електронні помножувачі відкритого типу з різними фотокатодами на вході.

Застосування Р. л. Найбільш широке застосування Р. л. знайшли в медицині для рентгенодіагностики і рентгенотерапії . Важливе значення для багатьох галузей техніки має рентгенівська дефектоскопія , Наприклад для виявлення внутрішніх вад виливків (раковин, включень шлаку), тріщин у 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 численних вже розшифрованих атомних структур може бути вирішена і зворотне завдання: по рентгенограмі полікристалічного речовини, наприклад легованої сталі, сплаву, руди, місячного грунту, може бути встановлений кристалічний складу цієї речовини, т. е. виконано фазовий аналіз (див. Дебая - Шеррер метод ). Численними застосуваннями Р. л. для вивчення властивостей твердих тіл займається рентгенографія матеріалів .

рентгенівська мікроскопія дозволяє, наприклад, отримати зображення клітини, мікроорганізму, побачити їх внутрішню будову. рентгенівська спектроскопія по рентгенівським спектрами вивчає розподіл щільності електронних станів за енергіями 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 спектра 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 в якості датчиків 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 радіаційної хімії для стимулювання деяких реакцій, полімеризації матеріалів, крекінгу органічних речовин. Р. л. застосовують також для виявлення старовинного живопису, прихованої під шаром пізньої розпису, в харчовій промисловості для виявлення сторонніх предметів, що випадково потрапили в харчові продукти, в криміналістиці, археології і ін.

Літ .: Блохін М. А., Фізика рентгенівських променів, 2 вид., М., 1957; його ж, Методи рентгено-спектральних досліджень, М., 1959; Рентгенівські промені. Зб. під ред. М. А. Блохіна, пров. з нім. і англ., М., 1960; Хараджа Ф., Загальний курс рентгенотехніки, 3 вид., М. - Л., 1966; Миркин Л. І., Довідник по рентгено-структурному аналізу полікристалів, М., 1961; Вайнштейн Е. Е., Кахана М. М., Довідкові таблиці по рентгенівській спектроскопії, М., 1953.

М. А. Блохін.