Uniwersytet Warmińsko-Mazurski

w OLSZTYNIE

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z FIZYKI

Ćwiczenie nr.

temat:

Promieniowanie Röntgena . Określanie położenia defektów w ciałach stałych

Promieniowanie rentgenowskie wytwarza się w tzw. lampach rentgenowskich. Nazwanie przez Röentgena odkrytych przez siebie promieni promieniami X, pochodzi z stąd , iż nie potrafił on określić czynnika , który powoduje ich powstawanie. Roentgen ustalił następujące właściwości odkrytych promieni:

• promienie rozchodzą się po liniach prostych,

• nie niosą ze sobą ładunku.

W lampie rentgenowskiej katoda charakteryzuje się dużą zdolnością termoemisji. Gęstość tego prądu jest bardzo duża i określona wz. Richardsona.

j=a T ²exp (-W/kT)

gdzie:

W- praca wyjścia,

k- stała Boltzmana,

T- temperatura.

Pod wpływem napięcia anodowego powstaje pomiędzy anodą i katodą pole elektryczne, które działa na elektrony siłą F=eE, pod której wpływem doznają one przyspieszenia:

a =

E

Inaczej mówiąc pole elektryczne powoduje wzrost energii kinetycznej elektronów, zgodnie z wyrażeniem:

1/2mv² = eU_a

Przy anodzie uzyskują one bardzo dużą prędkość, określoną wyrażeniem:

v =

Gdy napięcie zasilające lampę U_a = 30 000 V , prędkość elektronów docierających do anody wynosi 1/3 c. Napięcie , jakie stosuje się w lampach rentgenowskich , wynosi od 20 kV do 250 kV .elektrony o tak dużej energii po dojściu do anody podlegają dwom procesom:

• rozpraszaniu na materiale anody,

• zderzeniom z elektronami atomów anody.

W wyniku zderzeń elektrony wiązki padającej mogą tracić różne ilości energii i w typowym przypadku pojedynczy elektron zostaje spowolniony , aż do zatrzymania dopiero w rezultacie wielu zderzeń z jądrami atomów anody. Wobec tego promieniowanie rentgenowskie wytworzone przez wiele elektronów będzie miało widmo ciągłe . Inaczej mówiąc , powstaje wiele fotonów, których długości fal są zawarte w przedziale od λ_min do λ = ∞ , co odpowiada występowaniu różnych wartości strat energii w zderzeniach.

W drugim przypadku elektrony o bardzo dużej energii wnikają w głąb atomów anody i w wyniku kulombowskiego oddziaływania może dojść do zderzeń niesprężystych z elektronami związanymi (na głębszych powłokach) atomów anody. Elektrony atomowe w tym zderzeniu mogą uzyskać energię większą od energii oddziaływania z jądrem i opuścić macierzysty atom. W tym przypadku zachodzi tzw. głęboka jonizacja atomów. Na miejsce po takim elektronie przechodzi elektron z wyższego poziomu, wypromieniowując - zgodnie z drugim postulatem Bohra - kwant energii.

Cechą rentgenowskich widm liniowych jest regularność zmian częstotliwości i długości fali linii od pierwiastka do pierwiastka. Przyczyną tej regularności jest zależność charakterystyk widm rentgenowskich od energii wiązania elektronów w powłokach wewnętrznych.

Promieniowanie rentgenowskie: - wykazuje dużą zdolność jonizującą,

- jest bardzo przenikliwe,

- wywołuje zjawisko fotoelektryczne u wszystkich ciał,

- działa szkodliwie na organizmy żywe.

Pochłanianie promieniowania rentgenowskiego jest właściwością atomową. Atomowy współczynnik μ_a nie zależy od rodzaju związku , w którego skład wchodzi dany atom. Rozpraszaniem promieniowania rentgenowskiego zajmował się Bragg , który otrzymał następujące wyrażenie na długość fali rozproszonej :

gdzie:

m - krotność długości fali rozproszonej

d - stała sieci krystalicznej ciała rozproszonego

Φ - kąt odbłysku promienia od płaszczyzny węzłowej.

Lp.	I1[Au]	I2[Au]	I3[Au]	Iś[Au]	Lp.	I1[Au]	I2[Au]	I3[Au]	Iś[Au]
1	39,8	37,2	37,8	39,31	31	19,9	21,7	18,6	20,05
2	40	38,8	40,1		32	20,1	21,7	19
3	40,3	39,6	38,7			33	18,7	21,2		19,4
4	39,9	38,8	39,1			34	18,6	20,5		19,7
5	39,7	40,8	39,3			35	19,6	21,6		19,5
6	39,5	38,7	39,4			36	19,9	21,6		19,6
7	33,8	39,6	37	34,37	37	20,3	20,3	19,1	17,14
8	31,6	36,6	40,1		38	16,1	16,7	16,3
9	31,6	32,3	32,8			39	16,6	16,6		16,8
10	32,3	34,1	35,4			40	15,9	18,5		15,5
11	32,4	33,4	34,7			41	14,9	18		17,4
12	32,4	36,6	31,9			42	13,8	19,3		16,4
13	29,9	35,6	32,9	30,50	43	8,4	18,5	17,7	14,89
14	31,1	34,4	33,9		44	17,4	19,6	15,9
15	28,8	29,4	33,1			45	16,3	15,7		13,4
16	30	29,1	27,1			46	13,1	14,3		13,2
17	30,1	28,8	27,1			47	12,9	15,8		13,4
18	28,9	28,8	30			48	14,4	14,4		13,7
19	28,1	29,6	28,8	27,49	49	13,8	14,4	13,6	13,16
20	28,4	28,8	29,9		50	13,1	14,1	14
21	33,8	30,2	27,9			51	13,6	14,6		10,3
22	24,3	28,8	28,5			52	13,2	14,3		10,8
23	23,2	24,9	23,3			53	22,7	11,1		11,3
24	26,6	25,4	24,3			54	10,6	10,4		10,9
25	23,2	23,5	22,9	23,22	55	10,2	10,9	11,5	10,69
26	21,8	26,2	23,3		56	10,7	10,8	10,5
27	21,8	26,4	23,7			57	10,8	12,4		10,3
28	19,9	25,3	25,5			58	10,7	11,8		10,1
29	20,1	26,4	24,2			59	10,2	11,1		10,3
30	20,3	23,3	20,1			60	9,5	10,6		10,1

Lp.	Io[Au]	Ioś[Au]
1	83,3	80,92
2	77,1
3	78,4
4	81,9
5	83,3
6	79,8
7	82,3
8	81,8
9	82,4
10	78,9
Lp.	I[uA]	Io/I	Ln[I0/I]	X[mm]
1	39,31	2,05	0,71	2,63
2	34,37	2,35	0,85	3,84
3	30,5	2,65	0,97	4,95
4	27,49	2,94	1,07	5,89
5	23,22	3,48	1,24	6,84
6	20,05	4,03	1,39	7,75
7	17,14	4,72	1,55	8,97
8	14,89	5,43	1,69	9,78
9	13,16	6,14	1,81	10,96
10	10,69	7,56	2,02	12,03

Rachunek błędu:

dla I₀; δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

δ_,

Zastosowanie metody:

Promieniowanie Rontgena wykorzystuje się w tzw. Defektroskopii. Defektoskopia to nie niszcząca metoda badań uszkodzeń i wykrywania defektów w przedmiotach, głównie metalowych (odlewach, odkuwkach, spawach itp.). Ze względu na wykorzystywane w badaniu zjawiska fizyczne rozróżnia się defektoskopię gamma, rentgenowską, luminescencyjną, magnetyczną i elektromagnetyczną oraz ultradźwiękową. Defektoskopia gamma i rentgenowska polega na prześwietlaniu przedmiotu odpowiednim promieniowaniem przenikliwym i rejestracji obrazu za pomocą odpowiednich klisz, wizualizacji na ekranach elektrooptycznych i scyntylacyjnych lub rejestracji licznikowej. Dzięki promieniowaniu Rontgena w hutach wykrywa się wady odlewnicze typu: wtrącenia niemetaliczne ,

wnęki odlewnicze, itp.

---