151-159

Strona 1 z 3

Promieniowanie rentgenowskie (151-159)

Powstaje w wyniku bombardowania materii elektronami o dużych energiach

kinetycznych (powyżej 20 eV).

Lampa rentgenowska składa się z katody i anody, zatopionych w szklanej bańce

opróżnionej z powietrza. Elektrony są emitowane z katody (zjawisko termoemisji – katoda
rozgrzewa się do ponad 2000 stopni pod wpływem prądu żarzenia), następnie rozpędzają się w
silnym polu elektrycznym pomiędzy katodą i anodą.

Promieniowanie ciągłe (widmo ciągłe)
Elektrony dostają się w pobliże jąder atomowych anody i w wyniku działania pola

elektrycznego zostają zahamowane, uwalniając swoją energię w postaci promieniowania
elektromagnetycznego

(ok. 99% energii kinetycznej elektronów zamienia się na ciepło, tylko 1% zużyty jest na

promieniowanie). Długość jego fali zależna jest od energii kinetycznej elektronu. Energia ta jest
maksymalna, jeśli elektron straci energię w pojedynczym procesie hamowania, ale zmniejsza się,
jeśli po drodze zderzy się z innymi atomami katody, zwalniając. Wtedy też zmienia się długość
fali emitowanej w wyniku hamowania tego elektronu.

Przez to, że elektrony wywołują powstawanie promieniowania o różnej długości fali,

promieniowanie lampy rentgenowskiej ma widmo ciągłe, czyli czyli jest zbiorem fal
elektromagnetycznych o różnych długościach.

Istnieje tu wyraźna granica najkrótszych fal, która jest zależna od napięcia na anodzie,

nazywana krótkofalową granicą widma. Oblicza się ją ze wzoru:

λ

min

= hc / eU = 1,24/ U nm

Z czego wynika, że długość fali zależy tylko od napięcia przyspieszającego elektrony

pomiędzy katodą i anodą.

Najkrótsza fala powstaje wtedy, kiedy elektron straci całą swoją energię w jednym

hamowaniu.

Długofalowa część widma jest niepożądana w medycznych zastosowaniach promieni

rentgena. Aby ją usunąć używa się filtrów – płyt aluminiowych lub miedzianych.

Natężenie promieniowania lampy rentgenowskiej oblicza się ze wzoru:

I = A Z I

a

U

2

Gdzie A to stała zależna od konstrukcji lampy, Z oznacza liczbę atomową pierwiastka, z

którego zbudowana jest anoda, I

a

to wartość prądu między anodą i katodą, a U – napięcie na

lampie.

Promieniowanie charakterystyczne (widmo charakterystyczne)
Oprócz widma ciągłego, stanowiącego najważniejszą część promieniowania rentgena,

występuje też promieniowanie charakterystyczne, które powstaje w skutek wybijania elektronów
z atomów anody (zamiast hamowania, jak w widmie ciągłym). Wybijanie elektronów prowadzi
do wzbudzenia atomów anody, które wracając do stanu podstawowego emitują kwanty
promieniowania elektromagnetycznego. Aby powstało to promieniowanie, energia elektronów
musi przekroczyć wartość charakterystyczną dla pierwiastka, z którego zbudowana jest anoda,
aby wybić elektrony z wewnętrznych powłok atomów tego pierwiastka.

Długość fali promieniowania charakterystycznego nie zależy od energii kinetycznej

elektronów emitowanych przez katodę (musi być ona jedynie wystarczająco wysoka), jest za to
związana z rodzajem pierwiastka, z którego zbudowana jest anoda.

151-159

Strona 2 z 3

Właściwości promieniowania rentgenowskiego:

1)

krótkie fale elektromagnetyczne o długości 0,01 – 100 Ǻ

2)

Ulegają dyfrakcji, interferencji i polaryzacji (właściwości falowe)

3)

Dwa rodzaje widma -ciągłe (mieszanina fal) i charakterystyczne

4)

Powodują zmiany chemiczne w preparacie naświetlonym

5)

Silnie jonizują ciecze i gazy

6)

Wywołują zjawisko fotoelektryczne i efekt Comptona

7)

Słabo pochłaniane są przez pierwiastki o małej liczbie atomowej, silnie przez te o dużej

Budowa Lampy rentgenowskiej (opis przy rodzajach promieniowania)

Obwód żarzenia to ten, przez który płynie prąd rozgrzewający katodę.
Anoda wiruje, żeby zwiększyć powierzchnie działania elektronów, co przedłuża jej

życie (bombardowanie jednego miejsca szybko niszczy anodę).

Promieniowanie elektromagnetyczne (w tym x) współdziała z ośrodkiem przez 3

mechanizmy:

-zjawisko fotoelektryczne
-Efekt Comptona
-Zjawisko tworzenia się par

Zjawisko fotoelektryczne: Foton promieniowania wytrąca z atomu, w który uderza,

elektron. Energia fotonu zostaje wpierw zużyta na pokonanie energii wiązania elektronu W (praca
wyjścia), a reszta energii nadaje elektronowi energię kinetyczną. Foton jest całkowicie
absorbowany (cała jego energia zostaje zużyta)

hv = 0,5 mv

2

+ W

gdzie hv – energia fotonu, 0,5 mv

2

- energia kinetyczna elektronu wybitego, a W – praca wyjścia

Atom, z którego został wybity elektron staje się jonem dodatnim. Wybity elektron

zderza się z sąsiednimi atomami, jonizując je i powoli traci swoją energię, aż przyłącza się do
jednego z nich i tworzy jon ujemny (jeśli przyłączy się do obojętnego), lub atom obojętny(jeśli
przyłączy się do jonu dodatniego)

151-159

Strona 3 z 3

Efekt Comptona. Zjawisko Comptona traktujemy jako wynik sprężystego zderzenia

fotonu z elektronem. Uznajemy te elektrony za swobodne o energii 0, ponieważ zjawisko to
zachodzi przy dużych energiach fotonu (większych niż zjawisko fotoelektryczne). Zderzenie
podlega zasadzie zachowania energii i pędu.

Po zderzeniu foton zostaje odrzucony pod kątem rozproszenia fotonu φ, elektron

uzyskuje pęd mv i tworzy kąt α

Odrzucone elektrony zabierają tylko część energii fotonu (w zjawisku fotoelektrycznym

-całą). Energia jest tym większa, im większy jest kąt rozproszenia. Im większa energia fotonu
padającego, tym większą część przekazują elektronom. Elektron wybity jonizuje środowisko, tak
jak ten z zjawiska fotoelektrycznego. Foton rozproszony może zapoczątkować kolejne zjawiska
Comptona, lub ulec absorpcji w zjawisku fotoelektrycznym.

Tworzenie par pozyton – elektron. zachodzi, jeśli foton ma energię większą niż energia

równoważna masie dwóch elektronów., czyli 1,022 MeV (obliczana ze wzoru Einsteina E=mc

2

).

Foton może wtedy wyzwolić (tylko w obecności jądra) dwa elektrony o przeciwnych ładunkach
elektrycznych (pozyton- negaton), sam ulega unicestwieniu. Powstały negaton (zwykły elektron)
może jonizować atomy kosztem swojej energii kinetycznej. Pozyton po utracie energii łączy się z
negatonem, ulegając anihilacji i tworzą dwa fotony o energii mniejszej, niż ta, którą miał foton
wywołujący to zjawisko (zasada zachowania energii), które dalej mogą wywoływać zjawisko
fotoelektryczne, lub efekt Comptona.

Prawdopodobieństwo wystąpienia jednego z tych efektów zależy od energii fotonów

promieniowania, jak i od rodzaju substancji pochłaniającej to promieniowanie, co przedstawia
wykres:

Prawo pochłaniania promieniowania pokazuje zależność między natężeniem wiązki

promieniowania przechodzącej przez warstwę absorbenta o grubości x, a natężeniem wiązki
padającej na niego. Wyraża się wzorem:

I = I

0

e

-µ x

Gdzie I oznacza wiązkę przechodzącą, I

0

– wiązkę padającą, x – grubość absorbenta, a

µ – liniowy współczynnik pochłaniania

Liniowy współczynnik pochłaniania charakteryzuje ośrodek pochłaniający. Na jego

wartość składają się trzy składniki, odpowiadające efektowi fotoelektrycznemu, Comptonowskiemu
i tworzeniu się par:

µ = τ + σ + π

Reprezentują one udział każdego z trzech zjawisk w

pochłanianiu.

Masowy współczynnik pochłaniania µ/ρ odpowiada zdolności absorpcyjnej warstwy o

masie 1 kg i powierzchni 1 m

2.

. Wprowadza się go ponieważ pochłanianie energii promieniowania

elektromagnetycznego zależy od gęstości absorbenta.