§ 16. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР ЭЛЕМЕНТОВ

Рентгеновское излучение возбуждается различными способами, в частности при столкновении электронов (обладающих большими энергиями) с атомами тяжелых элементов. По своей природе оно не

отличается от светового: 1) не отклоняется в электрических и магнитных полях и, следовательно, не имеет электрического заряда; 2) действует на фотографические эмульсии; 3) способно возбуждать люминесценцию; 4) может отражаться, преломляться, обладает поляризацией; 5) может интерферировать и образует дифракционные максимумы и минимумы.

Рентгеновские лучи, так же как и оптические, обнаруживают корпускулярно-волновые свойства. В некоторых явлениях (распространения дифракции, интерференции и т. п.) рентгеновские лучи ведут себя как электромагнитное излучение с очень короткими длинами волн, примерно от 0,06 до в процессах же взаимодействия с частицами вещества рентгеновские лучи ведут себя как поток фотонов с энергиями . Со стороны длинных волн рентгеновские лучи сливаются с коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами, а со стороны коротких волн — с длинноволновыми гамма-лучами радиоактивных веществ.

ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Рентгеновские лучи могут быть получены при бомбардировке металлических мишеней: 1) электронами, 2) протонами, альфа-частицами и другими массивными частицами, 3) под действием гамма-лучей радиоактивных веществ (длинноволновые рентгеновские лучи могут быть получены также при облучении мишеней коротковолновыми рентгеновскими лучами).

Рис. IV.82

Рассмотрим сначала первый (наиболее распространенный) способ. В технике и медицине используются рентгеновские трубки, схема которых показана на рис. IV.82. В этой схеме: К — катод (источник электронов), бомбардируемая металлическая мишень (иногда называется антикатодом), А — анод (в маломощных и портативных трубках мишенью может служить анод). Для сообщения электронам больших энергий между катодом и анодом прикладывается высокое напряжение V порядка десятков и сотен тысяч сольт. Так как при бомбардировке электронами мишень сильно нагревается, то ее приходится охлаждать каким-либо способом.

В зависимости от способа эмиссии электронов из катода рентгеновские трубки делятся на газонаполненные (или ионные) и вакуумные (с нагреваемым катодом). Первые содержат воздух при давлении Приложенное к трубке электрическое напряжение вызывает в газе разряд и сообщает электронам, движущимся к аноду, и положительным ионам, движущимся к катоду, большие скорости. Положительные ионы при ударе о катод выбивают из него добавочные электроны. Рентгеновские лучи возбуждаются из мишени (антикатода) при достаточно большой энергии бомбардирующих электронов.

В вакуумных рентгеновских трубках источником электронов является подогреваемый (электрическим током) катод, например вольфрамовая нить накаливания. Давление воздуха в трубке не превышает поэтому электроны, испаряющиеся из катода, почти свободно ускоряются электрическим полем, приобретая скорости до сотен тысяч километров в секунду (в зависимости от приложенного напряжения V).

При ударе о мишень электроны резко тормозятся и в процессе уменьшения своей кинетической энергии излучают электромагнитные волны. Интенсивность этого излучения определяется мощностью потока электронов (от числа электронов, ежесекундно падающих на мишень, и от их энергии).

Рис. IV.83

Экспериментальное изучение интенсивности рентгеновских лучей показало (рис. IV.83);

1) существование минимальной длины волны не зависящей от вещества мишени и определяемой только приложенным к трубке напряжением

2) существование максимума интенсивности при некоторой длине волны с повышением приложенного напряжения этот максимум смещается в сторону коротких волн.

Согласно классическим представлениям, тормозное электромагнитное излучение электронов должно теоретически содержать волны всех частот, поэтому резкой границы в спектре рентгеновского излучения не должно быть. Согласно данным измерений (рис. IV.83), в области длинных волн такая граница отсутствует, но коротковолновая часть спектра оказывается резко ограниченной. Квантовая же теория позволяет объяснить и непрерывный характер тормозного рентгеновского излучения, и существование резкой коротковолновой границы. Согласно закону сохранения энергии, при ударе электрона о мишень часть его кинетической энергии пойдет на создание рентгеновского фотона с энергией а остальная часть А перейдет в энергию теплового движения атомов мишени, а также останется у электрона в виде его кинетической энергии внутри мишени:

При случайном характере тепловых столкновений энергия А может иметь всевозможные значения от нуля до поэтому наиболее длинные волны будут соответствовать наиболее короткие волны будут вызваны при электронами, имеющими наибольшую кинетическую энергию:

Так как энергия свободного электрона внутри мишени, а также начальная кинетическая энергия электрона при вылете из катода очень

малы по сравнению с энергией, приобретаемой им в электрическом поле трубки, то для расчетов можно полагать:

Измерения с большой точностью подтверждают этот расчет. Заметим, что, пользуясь этой формулой, можно по измеренным значениям вычислить постоянную Планка; она оказалась очень близкой к значениям, полученным другими способами.

Однако в потоке электронов, движущихся к мишени, вследствие тепловых столкновений должен существовать некоторый разброс по скоростям (энергиям). Большинство электронов будут иметь скорости, близкие к средней скорости потока ; некоторые электроны будут иметь , другие (но не больше максимальной скорости, определяемой приложенным напряжением: Поэтому наиболее вероятным будет появление фотонов с энергией

Таким образом, функция распределения фотонов по энергиям в тормозном и рентгеновском излучении должна иметь максимум при Так как средняя скорость потока электронов в трубке определяется приложенным напряжением V, то с увеличением V этот максимум должен перемещаться в сторону коротких волн (рис. IV.83).

Эмпирически установлено, что суммарная интенсивность рентгеновского излучения трубки пропорциональна силе I проходящего через трубку тока, квадрату приложенного напряжения V и порядковому номеру бомбардируемого элемента

Сопоставляя энергию, расходуемую трубкой, с энергией полученного рентгеновского излучения, оценивают коэффициент полезного действия трубки; оказалось, что он невелик (несколько процентов), зависит от вещества мишени и пропорционален приложенному напряжению.

Иногда (исходя из фотонной теории) полагают, что испускание электроном фотона при торможении есть процесс, обратный фотоэффекту: в одном из них фотон «рождается», в другом — «исчезает» (поглощается). В обоих процессах участвуют две элементарные частицы и происходит передача энергии от одного из них к другому (предполагается, что атомы вещества, внутри которого происходят эти процессы, создают лишь условия, необходимые для реализации этих процессов; тогда их участием в обмене энергиями можно пренебречь). Принципиальное значение этих процессов заключается в следующем. Если фотоны есть частицы поля, то в этих процессах происходит обмен энергией между веществом и полем; если же отнести фотоны к частицам вещества (находящимся в «особом» состоянии), то роль электромагнитного поля будет сведена к активному участию в этих процессах как среды, но не как объекта, обладающего энергией.