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 rpomieniowanie 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
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.

I0 - 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.

gdzie:

μ  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 λ) pozwoliło wykryć bardzo istotny fakt empiryczny: widmo promieniowania X ma od strony fal krótkich granicę (λ_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
, 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
.

Zatem:

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_α i k_β.

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:

gdzie:

R - stała Rydberga

σ - 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 prze 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_α odpowiada większej długości fali niż k_β, gdyż energia kwantu przy przejściu elektronu z powłoki L na K jest mniejsza niż z M na K.

Linia k_α odpowiada większe natężenie niż k_β, gdyż większe jest prawdopodobieństwo przejścia elektronu z powłoki L na K, niż z M na K.

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 θ. Na błonie fotograficznej F otrzymujemy interferencyjne maksima w postaci cienkich plamek. Z położenia tych maksimów interferencyjnych można znaleźć, przy odpowiednich kątach θ, wartość λ.

Wyprowadzamy warunku Bragga:

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

1. 
   

2. 
   

Oba warunki (1 i 2) są równocześnie spełnione w przypadku gdy θ = α. Wówczas lewa strona równania 1 równa się0, zaś równanie 2 przyjmuje postać:

warunek Bragga

Zmieniając kąt θ maksima interferencyjne otrzymujemy dla określonych wzorem długości fali promieniowania X.

Promieniowanie X jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali w zakresie:

[ 0,01
 800
]

Promieniowanie X wywołuje:

1. zaczernienie kliszy fotograficznej

2. silną jonizację cząsteczek

3. fluorescencję (świecenie luminoforów)

Z wykorzystaniem tych właściwości budowane są detektory promieniowania X.

Zastosowanie promieniowania X:

rentgenoterapia diagnostyka	medycyna
defektoskopia rentgenowska	przemysł

Promieniowanie X • Fizyka 2002 - 2003

1

---