Лекция 6. Рентгеновское излучение

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ,невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10^–8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845–1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

Рентген исследовал так называемое тормозное рентгеновское излучение. Оно возникает в катодной трубке при столкновении электронов с анодом и имеет непрерывный спектр (широкий диапазон длин волн). Но Баркла обнаружил, что если воздействовать на атомы элемента рентгеновскими лучами, то атомы сами начинают испускать такие же лучи определённых длин волн. Каждому элементу присущ свой, индивидуальный спектр характеристического рентгеновского излучения, подобный оптическим линейчатым спектрам, но расположенный в другом диапазоне длин волн.

Этим спектрам также дала объяснение квантовая теория. Если рентгеновский фотон выбивает за пределы атома электрон с какого-либо из нижних электронных слоёв, то один из электронов, находящийся в более высоких слоях (имеющий большую энергию), перескакивает на освободившееся место и в соответствии с постулатами Бора испускает новый фотон с длиной волны рентгеновского диапазона, - это и есть характеристическое рентгеновское излучение. От того, какой именно из электронов упадёт на место выбитого, зависит длина волны фотона; поэтому удаление одного и того же электрона приводит к появлению целой спектральной серии характеристического излучения.

Помимо тормозного и характеристического существует ещё одна разновидность рентгеновского излучения. Если пучок очень быстрых электронов попадает в сильное магнитное поле, траектории частиц круто заворачиваются. Вместе с тем, как и при любом движении зарядов, появляется синхротронное электромагнитное излучение (впервые его наблюдали в синхротроне - одном из типов ускорителей заряженных частиц). Длины волн синхротронного излучения могут быть различными в зависимости от напряжённости магнитного поля. Нередко они находятся в пределах рентгеновского диапазона, но ближе к ультрафиолетовому. Такое излучение называется мягким рентгеновским.