1845-
1923

Promieniowanie X (Rentgenowskie)

W 1985 r. Wilhelm Konrad Röntgen zauważył, że hamowaniu
tzw. promieniowaniu katodowego (czyli wiązki elektronów
emitowanych z katody) towarzyszy bardzo przenikliwe
promieniowanie mające właściwość zaczerniania kliszy
fotograficznej.

Wkrótce Röntgen stwierdził, że ten nowy rodzaj
promieniowania nie może składać się z cząstek
naładowanych, gdyż promieniowanie to nie odchyla się w
polu magnetycznym i elektrycznym.

Eksperymenty potwierdziły hipotezę, że jest to
promieniowanie elektromagnetyczne.

Wykorzystując sieć krystaliczną, jako siatkę dyfrakcyjną,
otrzymano efekty dyfrakcyjno-interferencyjne oraz
wyznaczono długość fal promieniowania rentgenowskiego (~
10

-10

m).

Za swoje odkrycie Röntgen otrzymał w 1901 r. nagrodę
Nobla (jako pierwszy z fizyków).

Otrzymywanie promieniowania X. Lampa rentgenowska.

Rozżarzona katoda (K) emituje elektrony, które przyśpieszone w polu
elektrycznym między katodą i antykatodą (AK) z duża energią

k

E

eU

=

docierają do AK i są w niej

hamowane. Kosztem energii hamowanych elektronów powstaje
promieniowanie X.

Hamowanie elektronów jest źródłem zaburzeń pola elektromagnetycznego –
pojawia się więc promieniowanie elektromagnetyczne.

Promieniowanie X przy przechodzeniu przez substancję powoduje
jonizację cząstek substancji (czyli jest szkodliwe dla organizmów
żywych).

W warstwach ośrodka promieniowanie X ulega pochłanianiu.

I

0

– natężenie promieniowania X

docierającego do warstw

ośrodka

I – natężenie promieniowania X po

przejściu przez warstwę o

grubości x.

Natężenie promieniowania X wykładniczo maleje ze wzrostem grubości warstwy.

0

x

I I e

m

-

= �

gdzie:

 - współczynnik absorpcji, zależy od rodzaju substancji (absorbenta,

wzrasta ze wzrostem liczby atomowej Z).

Stąd zastosowanie w diagnostyce lekarskiej.

W 1913 r. Henry Moseley stwierdził, że

promieniowanie X składa się z dwóch
rodzajów:

1. promieniowania hamowania (o widmie

ciągłym)

2. promieniowania charakterystycznego (o

widmie liniowym)

Promieniowanie hamowania

Badania tzw. widma promieniowania X (zależność natężenia
promieniowania od długości fali ) pozwoliło wykryć bardzo istotny fakt

empiryczny:

widmo promieniowania X ma od strony fal krótkich granicę (

min

), której

wartość przesuwa się w stronę fal krótkich przy wzroście napięcia U
miedzy K i AK.

Wyniki eksperymentu można wyjaśnić stosując model kwantowy promieniowania X.

W polu elektrycznym (przyspieszającym) elektron uzyskuje energię kinetyczną

2

2

k

m

E

n

=

równą pracy sił pola elektrycznego eU. Zatem: E

k

= eU.

W czasie hamowania elektron może co najwyżej oddać tę całą energię (w
jednym akcie hamowania) na energię kwantu promieniowania X

hn

�

.

Zatem:

max

min

min

h

eU

c

h

eU

hc

eU

n

l

l

=

=

=

Promieniowanie charakterystyczne

Jeśli będziemy zwiększać napięcie U (między K i AK) powyżej
pewnej wartości charakterystycznej dla materiału antykatody, to
na tle widma ciągłego pojawią się dwie wyraźne linie: k



i k



.

Tak więc drugim rodzajem promieniowania X jest tzw. promieniowanie
charakterystyczne.

Widma rentgenowskie

Widma rentgenowskie tworzą serie widmowe podobne do widm
optycznych. Przy przechodzeniu do pierwiastków o większym Z, linie
przesuwają się w stronę fal krótkich. Częstość linii widmowych
określa wzór Moseley’a:

2

2

2

1

1

(

)

R Z

m

n

n

s

�

�

= � -

�

-

�

�

�

�

gdzie:

R – stała Rydberga
 – stała ekranowania

Z – liczba atomowa

Teoria Bohra tłumaczy powstawanie widma charakterystycznego.

W atomie o liczbie atomowej Z >> 1 powłoki wewnętrzne K, L, M
są całkowicie zapełnione elektronami.

Jeśli na jednej z powłok pojawi się miejsce wolne, to jest ono
natychmiast zajmowane przez któryś z elektronów znajdujących
się na powłokach dalszych.

W trakcie tego procesu zostaje wysłany kwant promieniowania X.

Jeśli w wyniku bombardowani antykatody elektronami biegnącymi z
katody zostanie usunięty elektron z powłoki K, to na jego miejsce
może przejść elektron z powłoki L, M lub np. N. Wysłany zostaje
wówczas kwant promieniowania X. Pojawia się linia serii K.
Do wyrwania elektronu potrzebna jest odpowiednia duża energia. Dla
każdego atomu inna jest jej wartość (np. dla Hg (Z = 80) równa 82
keV). Zatem U między K i AK musi mieć wartość co najmniej 82 kV (dla
rtęci).

Linia k odpowiada większej długości fali niż k, gdyż energia kwantu

przy przejściu elektronu z powłoki L na K jest mniejsza niż z M na K.
Linia k odpowiada większe natężenie niż k, gdyż większe jest

prawdopodobieństwo przejścia elektronu z powłoki L na K, niż z M na
K.

 

 
 























2

2

2

2

1

1

1

)

1

(Z

R



1









2

1

4

3







Z

R



A

keV

h



54

,

1

8

,

7









Ze wzoru Moseley’a dla linii k

α

dla Cu (Z=29)

Badanie widm rentgenowskich. Warunek Bragga.

Wąską wiązkę badanego promieniowania X kierujemy na kryształ K.
Przy obracaniu kryształu wokół osi O prostopadłej do płaszczyzny
rysunku zmienia się kąt połysku . Na błonie fotograficznej F

otrzymujemy interferencyjne maksima w postaci cienkich plamek. Z
położenia tych maksimów interferencyjnych można znaleźć, przy
odpowiednich kątach , wartość .

Wyprowadzenie warunku Bragga:

Maksimum interferencyjne otrzymujemy jeśli różnica dróg
przebytych przez promienie 1 i 2 jest równa wielokrotności długości
fali .

'cos

'cos

AD CB n

d

d

n

l

a

q

l

-

=

-

=

1

sin

sin

AB BC m

d

d

m

l

q

a

l

+

=

+

=

Oba warunki (1 i 2) są równocześnie spełnione w przypadku gdy  = .

Wówczas lewa strona równania 1 równa się 0, zaś równanie 2
przyjmuje postać:

2 sin

d

m

q

l

=

warunek Bragga

2

Zmieniając kąt  maksima interferencyjne otrzymujemy dla określonych

powyższym wzorem długości fali promieniowania X.

Promieniowanie X jest promieniowaniem elektromagnetycznym o
długości fali w zakresie:

[ 0,01

o

A

o

A

- 800

]

Promieniowanie X wywołuje:

a)zaczernienie kliszy fotograficznej

b)silną jonizację cząsteczek

c)fluorescencję (świecenie luminoforów)

Z wykorzystaniem tych właściwości budowane są detektory promieniowania X.

Zastosowanie promieniowania X:

}

1. rentgenoterapia

2. diagnostyka

medycyna

3. defektoskopia rentgenowska przemysł