Теория возбуждения рентгеновского излучения. Закон Мозли

1. Теория возбуждения рентгеновского излучения. Характеристическое и тормозное излучение. Закон Мозли.

Е. Юркова
ЯРФ-34Д
Саров-2017

2.

Введение
Рентгеновские лучи были обнаружены
в 1895 году
знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он
изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при
высоком напряжении между ее электродами. Трубка оказалась
источником излучения, которое могло проникать через бумагу,
дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора
сантиметра. Рентген назвал эти лучи X-лучами.
Теперь известно, что X-лучи - вид электромагнитного
излучения,
имеющего
меньшую
длину
волны,
чем
ультрафиолетовые электромагнитные волны.
Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10-5нм.
Волновые свойства рентгеновских лучей были установлены в
1912 г. Лауэ и его сотрудниками Фридрихом (1883 – 1968) и
Книппингом (1883 – 1935), осуществившими дифракцию этих
лучей в кристаллах. Ещё раньше, в 1905 г., Баркла (1877 – 1944)
установил, что если рентгеновские лучи действительно являются
волнами, то эти волны должны быть поперечными.

3. Теория возбуждения рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение,
которое возникает либо при торможении свободно движущейся
заряженной частицы, либо при электронных переходах во
внутренних оболочках атома.
В
нормальном
состоянии
многоэлектронный атом представляет собой
положительно заряженное ядро, окруженное
системой электронных оболочек.
Оболочки
обозначаются
буквами
K,L,M,N,O,P,Q в соответствии с ростом n,
начиная от единицы. На каждой оболочке
находится определенное число электронов в
соответствии с принципом Паули.
В нормальном состоянии атом не
излучает и не поглощает энергию.
Излучение, связанное с переходами во
внутренних оболочках возможно лишь в
случае, когда один или несколько внутренних
электронов будут удалены.
Рис. 1

4.

Это приводит к переходам с более высоких уровней на
уровень вакансии с излучением рентгеновского кванта.
Частота линии рентгеновского излучения определяется
правилом частот Бора:
ħω=ε1 ε2.
Поскольку рентгеновское излучение коротковолновое,
разность энергий в начальном и конечном состояниях атома
очень велика и в случае тяжелых элементов превосходит в
тысячи, десятки и сотни тысяч раз соответствующую разность в
оптической области спектра. Это указывает на то, что квантовые
переходы совершаются внутренними, а не наружными
(валентными) электронами атома. Но для того, чтобы такие
переходы были возможны, необходимо, чтобы внутри
электронной оболочки атома были свободные места, не
заполненные электронами, на которые могут переходить
электроны из других квантовых состояний атома. Такие
свободные места образуются при воздействии на атом быстрых
электронов, фотонов высоких энергий или других быстрых
частиц.

5. Устройство рентгеновской трубки.

Рис. 2.1
Наиболее
распространенным
источником
рентгеновского излучения является рентгеновская
трубка.
Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродный
вакуумный
прибор
(рис.
2.1).
Подогреваемый катод 1 испускает электроны 4. Анод 2,
называемый часто антикатодом, имеет наклонную
поверхность, для того чтобы направить возникающее
рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки.
Рентгеновские лучи возникают, когда быстрые
электроны, или катодные лучи, сталкиваются со стенками
или анодом газоразрядной трубки низкого давления.
Современная рентгеновская трубка представляет собой
вакуумизированный
стеклянный
баллон
с
расположенными в нем катодом и анодом.

6.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей,
чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому
конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной
стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы
не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам
анода. В качестве одного из интересных технических решений является
рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 2.2).
Рис. 2.2

7.

Тормозное излучение.
Рис. 3
Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении
электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями
атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В
результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части
их кинетической энергии.
Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем
кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны
рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической
энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в
рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения
можно получить.
Так как соотношение между этими частями случайно, то
при торможении большого количества электронов образуется
непрерывный спектр рентгеновского излучения. На рис. 3
представлены зависимости потока рентгеновского излучения от
длины волны λ (спектры) при разных напряжениях в
рентгеновской трубке: U1 < U2 < U3.
Поток рентгеновского излучения вычисляется по
формуле (1):
Ф =