Свойства рентгеновских лучей

В зависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени, этот спектр достигает значительной интенсивности лишь при бомбардировке мишени электронами. Интенсивность тормозных рентгеновских лучей распределена по всем частотам до высокочастотной границы νγ, на которой энергия фотонов hν (h – постоянная Планка) равна энергии еV бомбардирующих электронов (е – заряд электрона, V – разность потенциалов ускоряющего поля, пройденная ими). Этой частоте соответствует коротковолновая граница спектра (с – скорость света).

Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, направленной электроном (первичные рентгеновские лучи), для поглощения атомом фотона (флуоресцентные рентгеновские лучи). Ионизированный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10-16 – 10-13 с переходит в конечное состояние с меньшей энергией. При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определенной частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты ν линий этого спектра от атомного номера Z определяется Мозли законом:

, (3.1.1)

где: А и В – величины, постоянные для каждой линии спектра.

Тормозное рентгеновское излучение, испускаемое очень тонкими мишенями, полностью поляризовано вблизи v₀ с уменьшением v степень поляризации падает. Характеристическое излучение, как правило, не поляризовано.

При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом, может происходить фотоэффект, сопровождающее его поглощение рентгеновских лучей и их рассеяние. Фотоэффект наблюдается в том случае, когда атом, поглощая рентгеновский фотон, выбрасывает один из своих внутренних электронов, после чего может совершить либо излучательный переход, испустив фотон характеристического излучения, либо выбросить второй электрон при безизлучательном переходе. Под действием рентгеновских лучей на неметаллические кристаллы (например, на каменную соль) в некоторых узлах атомной решетки появляются ионы с дополнительным положительным зарядом, а вблизи них оказываются избыточные электроны. Такие нарушения структуры кристаллов, называемые рентгеновскими экситонами, являются центрами окраски и исчезают лишь при значительном повышении температуры.

При прохождения рентгеновских лучей через слой вещества толщиной х начальная интенсивность I0 уменьшается до величины I = I0e^-μx , где μ – коэффициент ослабления. Ослабление I происходит за счет двух процессов: поглощения рентгеновских фотонов веществом и изменения их направления при рассеянии. В длинноволновой области спектра преобладает поглощение рентгеновских лучей в коротковолновой – их рассеяние. Степень поглощения быстро растет с увеличением Z и λ. Например, жесткие рентгеновские лучи свободно проникают через слой воздуха ~ 10см; алюминиевая пластина в 3см толщиной ослабляет рентгеновские лучи с λ = 0,027А вдвое; мягкие рентгеновские лучи значительно поглощаются в воздухе и их использование и исследование возможно лишь в вакууме или в слабо поглощающем газе (например, Не). При поглощении рентгеновских лучей атомы вещества ионизируются.

Влияние рентгеновских лучей на живые организмы может быть полезным и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях. Поскольку поглощение рентгеновских лучей зависит от λ, интенсивность их не может служить мерой биологического действия рентгеновских лучей. Количественным учетом действия рентгеновских лучей на вещество занимается рентгенометрия, единицей его измерения служит рентген.

Рассеяние рентгеновских лучей в области больших Z и λ происходит в основном без изменения λ и носит название когерентного рассеяния, а в области малых Z и λ1 как правило, λ возрастает (некогерентное рассеяние). Известно 2 вида когерентного рассеяния рентгеновских лучей - компонентное и комбинационное. При компонентном рассеянии, носящем характер неупругого корпускулярного рассеяния, за счет частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки атома вылетает электрон отдачи. При уменьшается энергия фотона и изменяется его направление; изменение λ зависит от угла рассеяния. При комбинационном рассеянии рентгеновского фотона высокой энергии на легком атоме небольшая часть его энергии тратится на Ионизацию атома и меняется направление движения фотона. Изменение λ таких фотонов не зависит от угла рассеяния.

Показатель преломления n для рентгеновских лучей отличается от 1 на очень малую величину δ = 1 – n ≈ 10^-6 – 10^-5. Фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света в вакууме. Отклонение рентгеновских лучей при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут). При падении рентгеновских лучей из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.