Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
В настоящее время рентгеновские лучи используются очень широко в науке
(для рентгеноструктурного анализа кристаллов, молекул и т.д.), в медицине
(для диагностики и лечения различных заболеваний) и в технике
(дефектоскопия металлов и т.д.).
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. При прохождении
через вещество рентгеновские лучи взаимодействуют с электронами атомов.
Наиболее вероятными процессами взаимодействия являются рассеяние и
фотоэлектрическое поглощение квантов.
Фотоэлектрическое поглощение, как мы уже знаем (§ 1), заключается в
передаче всей энергии кванта одному из электронов атома. Под действием
рентгеновских квантов - в результате фотоэффекта - образуется
фотоэлектрон и атом с дыркой на одной из внутренних оболочек атома.
Естественным продолжением фотоэффекта является заполнение дырок в
нижележащих оболочках электронами с вышележащих оболочек. Освобождающаяся
при этом энергия испускается в виде квантов электромагнитного излучения
(характеристические рентгеновские лучи) или передается одному из внешних
электронов, который при этом покидает атом (эффект Оже). Особенно сильно
эффект Оже выражен в тех случаях, когда электромагнитные переходы
запрещены, например в 0 - 0-переходах. При эффекте Оже вместо однократно
ионизованных возникают двукратно ионизованные атомы. На рис. 69 показана
схема возникновения рентгеновских квантов и электрона Оже в атоме, у
которого в результате фотоэффекта удален if-электрон. Рис. 69 а
иллюстрирует процесс возникновения рентгеновского кванта с энергией hw 1
= Ек - El при переходе электрона с L-слоя на свободное место в if-слое.
Свободное место в L-слое может быть занято М-электроном, и тогда
возникнет еще один рентгеновский квант с энергией Нсо2 = El-
- Ем (рис. 69 б). Вместо испускания кванта может произойти процесс,
изображенный на рис. 69 в; свободное место в L-слое занимается М-
электроном, а избыток энергии передается TV-электрону, который покидает
атом. Очевидно, что энергия электрона Оже в этом случае равна
Е = El - Ем - En-
Эффект Оже может происходить и сразу после возбуждения атома. В этом
случае атом испускает электрон не кроме, а вместо испускания
рентгеновского кванта.
Процесс фотоэлектрического поглощения рентгеновских лучей, таким образом,
сопровождается появлением однократно и двукратно (или
174
Глава б
N-
м-
/ъ
W
Г
/
К-9-е- -•---9- -•------9-
а б в
Рис. 69. Схема, иллюстрирующая испускание характеристических
рентгеновских квантов и оже-электронов: а - испускание фотона Ка-линии; б
- испускание фотона La-линии, в - L - М-переход с испусканием электрона
Ожё.
даже многократно) ионизованных атомов, характеристических рентгеновских
лучей и электронов Оже.
Остановимся на методах регистрации рентгеновских лучей. Эти методы
основаны на наблюдении ионизации, возникающей при прохождении излучения
через вещество. Ионизация может регистрироваться непосредственно (с
помощью ионизационных камер) или по вторичным эффектам. Такими вторичными
эффектами являются развитие пробоя в сильном электрическом поле (счетчики
Гейгера), почернение фотографической эмульсии, возбуждение оптического
излучения в сцинтилли-рующих веществах (экраны, используемые при
рентгеновском просвечивании) и т. д. Во всех этих случаях первичным актом
является ионизация атома и появление свободных электронов. В счетчиках
Гейгера ускоряемые полем первичные электроны ионизуют встречные атомы
заполняющего счетчик газа и дают начало образованию лавины, содержащей
огромное число электронов. В фотографической эмульсии кристаллы
бромистого серебра, содержащие хотя бы один ион, в процессе проявления
восстанавливаются до металлического серебра. В сцин-тиллирующих веществах
постепенное заполнение дырок во внутренних оболочках атомов с большой
вероятностью приводит к возбуждению оптических электронов.
С помощью ионизационной камеры или какого-нибудь другого детектора легко
убедиться в том, что интенсивность параллельного пучка рентгеновских
лучей уменьшается при прохождении через вещество, причем уменьшение
интенсивности тем заметнее, чем больше толщина вещества. Уменьшение
интенсивности пучка рентгеновских лучей происходит из-за поглощения и
рассеяния (рассеянные кванты не только теряют направление первичного
пучка, но и обладают меньшей энергией; эти кванты затем быстро
поглощаются). Рассеяние и поглощение
§35. Рентгеновское излучение
175
квантов носит вероятностный характер. Вероятность испытать взаимодействие
тем больше, чем большее количество атомов находится на пути кванта, т. е.
чем большую толщину вещества проходит пучок. Для параллельного
монохроматического пучка рентгеновских лучей (рис. 70) мы можем составить
равенство
-A N(x) = iiN(x) Ах.
(6.19)
Здесь N(x) - число квантов, доходящих до слоя с координатой х, ц -
коэффициент пропорциональности, - AN(x) - число квантов, выбывших из
пучка из-за взаимодействия в слое толщиной Ах.
Заменяя конечные приращения AN(x) и Ах бесконечно малыми и интегрируя,
