Рентгенівське випромінювання
ФІЗИКА
Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА
Розділ 15 БУДОВА АТОМА
15.11. Рентгенівське випромінювання
Випромінювання, відкрите 1895 р. німецьким фізиком В. Рентгеном і назване на його честь рентгенівським, відіграло велику роль у дослідженнях будови електронних оболонок і властивостей складних атомів, при вивченні будови молекул, а особливо кристалічної гратки твердих тіл. Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні речовиною швидких електронів унаслідок перетворення кінетичної енергії цих електронів в енергію електромагнітного
Для одержання рентгенівського випромінювання використовують спеціальні електровакуумні прилади – рентгенівські трубки. Вони складаються з вакуумованого скляного або металевого корпусу, в якому на певній відстані один від одного містяться катод і анод. Катод є джерелом електронів, а анод (антикатод) – джерелом рентгенівського випромінювання. Між катодом
Електрони, які вилітають із катода, набувають між катодом і анодом дуже великих швидкостей. Вдаряючись в поверхню анода (антикатода) зазнають гальмування, внаслідок чого випромінюють рентгенівські промені. Тому це випромінювання називають ще гальмівним. При гальмуванні електронів, як правило, не вся енергія йде на випромінювання, а частина її витрачається для нагрівання антикатода. Енергія електронів, яку вони набувають в електричному полі трубки, визначається різницею потенціалів на електродах рентгенівської трубки.
Оскільки втрата енергії електронів на нагрівання антикатода різна, то випромінюються кванти різної енергії. Тому спектр рентгенівського гальмівного випромінювання дістають суцільний.
Як свідчить досвід, існують два типи рентгенівського випромінювання. Перший тип називають білим рентгенівським випромінюванням. Йому властивий суцільний спектр, подібний до спектра білого світла, звідси і назва цього випромінювання. Рентгенівський суцільний спектр обмежений з боку коротких довжин хвиль деякою найменшою довжиною хвилі λmіп, яку називають граничною (короткохвильова межа суцільного спектра). На рис. 15.12 показано суцільні спектри у випадку вольфрамового антикатода для ряду значень різниці потенціалів між електродами рентгенівської трубки (20, 25, 30, 35, 40, 50 кВ).
Рис. 15.12
Зі збільшенням енергії електронів не лише зміщуються в короткохвильову ділянку спектра границя спектра і максимум у спектрі, а й швидко зростає інтенсивність випромінювання І.
Наявність межі λmіп не можна пояснити, виходячи з класичних уявлень про природу рентгенівського випромінювання. Неперервний спектр гальмівного рентгенівського випромінювання за хвильовими уявленнями не повинен бути обмеженим. Дослід показав, що гранична довжина хвилі λmіп обернено пропорційна кінетичній енергії K-електронів, які зумовлюють гальмівне рентгенівське випромінювання. На основі квантових уявлень наявність λmіп пояснюється просто. Справді, з погляду квантових уявлень, максимальна енергія hνmах рентгенівського кванта, що виникає за рахунок енергії електрона, не може перевищувати цієї енергії:
Переходячи у формулі (15.31) від частоти до довжини хвилі, дістанемо
Формула (15.32) добре узгоджується з дослідними даними. Свого часу вона виявилась одним з найточніших методів експериментального визначення сталої Планка h.
Співвідношення (15.32) збігається з рівнянням Ейнштейна (13.13) для фотоефекту, якщо в ньому знехтувати роботою виходу електрона з металу. Якщо фотоефект зумовлений рентгенівським випромінюванням, то в рівнянні (13.13) робота виходу електрона з металу Авих значно менша за енергію кванта hν і нею можна знехтувати. Фотоефект і виникнення гальмівного рентгенівського випромінювання є взаємооберненими явищами.
Другим типом випромінювання є характеристичне рентгенівське випромінювання. Його називають так через те, що воно характеризує речовину антикатода (анода) рентгенівської трубки. Спектр характеристичного рентгенівського випромінювання – лінійчастий. Особливість цих спектрів полягає в тому, що кожний хімічний елемент дає певний характеристичний рентгенівський спектр незалежно від того, чи збуджується атом у вільному стані, чи він входить до хімічної сполуки. Спектри характеристичного рентгенівського випромінювання істотно відрізняються від оптичних електронних спектрів тих самих атомів. Оптичні спектри атомів залежать від того, чи перебувають атоми у вільному стані, чи входять до складу хімічних сполук. Це зумовлено тим, що оптичні лінійчасті спектри атомів визначаються поведінкою зовнішніх валентних електронів. При утворенні хімічних зв’язків стан валентних електронів змінюється, що проявляється на оптичних спектрах.
Характеристичне рентгенівське випромінювання виникає під час процесів, що відбуваються в глибинних, забудованих електронних оболонках атомів, які не змінюються, коли атом виявляється зв’язаним у хімічну сполуку.
У 1913 р. Г. Мозлі встановив важливу залежність між довжинами хвиль ліній характеристичного рентгенівського випромінювання і порядковим номером хімічних елементів, які є джерелами рентгенівського випромінювання. Закон Мозлі можна описати такою формулою:
Де 
– хвильове число лінії; R’ – стала Рідберга, м-1 (або см-1); α і σ – деякі сталі, що характеризують серію ліній рентгенівського характеристичного спектра і речовину антикатода (анода). Для довжин хвиль ліній Кα Мозлі дістав таке співвідношення:
Порівнюючи (15.34) і (15.33), маємо, що для цих ліній a = 
і σ = 1.
Застосування закону Мозлі до атомів хімічних елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва підтвердило закономірне зростання електричного заряду ядра на одиницю при послідовному переході від одного елемента до іншого. Це стало переконливим доказом справедливості ядерної будови атома і періодичного закону Д. І. Менделєєва.
Рентгенівські промені мають велику проникну здатність, оскільки коефіцієнт поглинання їх незначний.
Поглинання рентгенівських променів залежить від густини речовини і довжини хвилі. Коефіцієнт поглинання пропорційний кубу атомного номера і обернено пропорційний кубу частоти (ν3), тому легкі речовини істотно прозоріші для рентгенівських променів, ніж важкі. Оскільки частота коливань пропорційна напрузі, прикладеній до рентгенівської трубки, то, отже, чим вища ця напруга, тим більш проникними, тобто більш жорсткими, стають рентгенівські промені.
Таким чином, рентгенівські промені широко застосовуються для просвічування тіл у медицині, металургії, машинобудуванні та інших галузях науки і техніки.
Для просвічування більш щільних речовин застосовуються рентгенівські апарати більш високої напруги (200 кВ і більше). Для просвічування різних частин людського тіла застосовуються рентгенівські трубки з напругами на них від 30 до 60 кВ.
