Апсорпција и расејување на Х-зраци. Линиски (карактеристичен) спектар на рендгенски зраци. Извори на Х-зраци

При изведување на рендгенска дифракциона анализа, препорачливо е да се користи монохроматско зрачење. Различни методи се користат за отстранување на несаканите компоненти на карактеристичното зрачење. Еден од овие методи е употребата на селективни филтри за апсорпција. Користењето филтер ви овозможува да го намалите интензитетот на несаканата компонента на ниво на позадина.

Пред сè, неопходно е да се разбере како зрачењето со Х-зраци комуницира со материјата. Рендгенскиот зрак кој минува низ супстанција го губи својот интензитет поради два фактори. Прво, поради директна апсорпција, т.е. претворајќи ја енергијата на Х-зраците во кинетичка енергија на атомите и електроните исфрлени од нивните обвивки. Второ, поради дисипација на зрачната енергија кога се појавуваат хаотично емитирани кванти на секундарно зрачење на Х-зраци.

Законот за апсорпција на Х-зраци од материјата е опишан со следнава равенка:

каде што x е дебелината на слојот на супстанцијата;

r е густината на супстанцијата;

m е линеарен коефициент на апсорпција.

Вредноста m/r се нарекува коефициент на апсорпција на масата. Оваа вредност не зависи од состојбата на агрегација на супстанцијата што апсорбира, додека m зависи.

Значи, намалувањето на интензитетот на зрачењето на Х-зраци при минување низ материјата е поврзано со два процеси од различна физичка природа: вистинска апсорпција и расејување на рендгенските зраци. Параметарот m/r го зема предвид вкупниот резултат од овие процеси. За да се издвојат овие процеси, доколку е потребно, се користат вистинскиот коефициент на апсорпција t/r и коефициентот на расејување s/r. За тешки елементи со атомски број поголем од железо (MFe = 26), придонесот на расејување во вкупната количина на апсорпција на зрачење е мал, така што можеме да претпоставиме дека коефициентот на апсорпција на маса m/r е еднаков на вистинскиот коефициент на апсорпција t /r.

Вистинскиот коефициент на апсорпција t/r силно зависи од брановата должина на зрачењето на Х-зраците и атомскиот број на целниот материјал, бидејќи се одредува со способноста на зрачењето да ги исфрли фотоелектроните од целните атоми. Во регионот на монотона зависност на коефициентот на апсорпција на масата од брановата должина на Х-зраците, вистинскиот коефициент на апсорпција t/r пропорционално зависи од третата моќност на брановата должина и четвртата моќност на атомскиот број на целниот материјал:

t/r = сZ4l3 (9)

Меѓутоа, во кривата t/r наспроти брановата должина l, се забележуваат скокови (сл. 36) поради остра промена на константата c. Наглото менување на коефициентот на апсорпција укажува на способноста на зрачењето на Х-зраци со дадена бранова должина да ги исфрли електроните од одредени обвивки на целниот атом. Значи, К-скокот во кривата одговара на брановата должина на зрачењето lK, што ги исфрла К-електроните од целниот атом.

За повеќето елементи од Периодниот систем, вредноста m/r се разликува од двете страни на скокот за приближно 5 пати. Тоа значи дека тенка плоча од одредена супстанција поставена на патеката на зрачниот зрак може да послужи како филтер за зрачење. Ќе биде речиси проѕирно за зрачење со бранова должина поголема од lK, додека зрачењето со бранова должина помала од lK ќе биде речиси целосно апсорбирано од него (сл. 37).

Филтрирањето на спектарот на Х-зраци при структурна анализа се врши со цел да се ослабат компонентите на несаканите зрачења и дел од белото зрачење. Како што веќе беше споменато, во анализата на дифракција на рендген, се користи К-серијата на зрачење, составена од три линии a1, a2 и b (компонентите b имаат многу блиски бранови должини, така што може да се занемарат). Компонентите a1 и a2, исто така, имаат многу блиски бранови должини и се појавуваат на шемите на дифракција на Х-зраци како таканаречен a1-a2 дубл. Вообичаено, во практиката на анализа на дифракција на Х-зраци, се користат b-филтри кои се непроѕирни за Kb зрачење.

Правилниот избор на материјалот за филтрирање (атомски број на материјалот) ви овозможува да ја изолирате линијата Ка во речиси чиста форма, т.е. добиваат практично монохроматско зрачење. Податоците за коефициентите на апсорпција на различни материјали се дадени во многу референтни книги. Така, за да се избере б-филтер, доволно е да се избере материјал чиј К-скок зазема средна положба помеѓу линиите Ka и Kb на филтрираното зрачење. Металните фолии најчесто се користат како б-филтри. Во табелата (сл. 38) се прикажани материјалите што се користат за производство на б-филтри. Постои правило:

Zf = ZA – 1 (10)

Недостатоците на b-филтрите се што ниту еден од нив не е способен целосно да апсорбира Kb-зрачење и бело зрачење, т.е. зрачењето добиено по филтрирањето не е еднобојно. Покрај тоа, b-филтрите значително го намалуваат интензитетот на главното Ка-зрачење, што во суштина ја намалува резолуцијата на методот. Зрачењето поблиску до монохроматското може да се добие со користење на систем од неколку b-филтри или монохроматорски кристали.

Употребата на монохроматорски кристали за производство на монохроматски зрак се заснова на способноста на рендгенското зрачење со одредена должина да се рефлектира од лицата на еден кристал. Постојат два вида монохроматори: со рамен кристал и со заоблен кристал. Монохроматорите со рамен кристал произведуваат многу слаб рефлектирачки зрак (интензитетот на зрачењето се намалува при рефлексија за 10...100 пати) и може да се користат кога интензитетот на првобитното зрачење е доволно висок. На пример, во анализата на дифракција на Х-зраци со помош на зрачење magnetobremsstrahlung (синхротрон), кое има висок интензитет, силиконските единечни кристали (рефлектирачка рамнина 111) често се користат како монохроматор. Монохроматорите со заоблен кристал бараат посебна шема за сликање, но дозволуваат да се добие фокусиран монохроматски зрак на Х-зраци (монохроматорот дополнително ја игра улогата на еден вид собирна леќа).

Спектрите на Х-зраци се од два вида: континуирани и линиски. Континуираните спектри се појавуваат кога брзите електрони се забавуваат во антикатодната супстанција и се обични електронски bremsstrahlung. Структурата на континуираниот спектар не зависи од антикатодниот материјал. Линискиот спектар се состои од поединечни емисиони линии. Тоа зависи од антикатодниот материјал и целосно се карактеризира со него. Секој елемент има свој карактеристичен линиски спектар. Затоа, линиските спектри на Х-зраци се нарекуваат и карактеристични спектри.

Шемата за појава на карактеристично зрачење на Х-зраци може да се прикаже на следниов начин.

Постојат три фундаментални разлики помеѓу спектрите на линијата на Х-зраци и спектрите на оптичките линии. Прво, фреквенцијата на зрачењето со Х-зраци е илјадници пати поголема од фреквенцијата на оптичкото зрачење. Ова значи дека енергијата на квантот на Х-зраците е илјадници пати поголема од оптичкиот квант. Второ, спектрите на Х-зраците на различни елементи имаат иста структура, додека структурата на оптичките спектри на различни елементи значително се разликува. Трето, спектрите на оптичка апсорпција се состојат од поединечни линии кои се совпаѓаат со линиите на емисија од главната серија на соодветниот елемент. Спектрите на апсорпција на Х-зраци не се слични на емисионите спектри на Х-зраци: тие се состојат од неколку ленти со остар раб со долга бранова должина.

Сите овие карактеристики на спектрите на Х-зраци се објаснети со механизмот на емисија, кој е во целосна согласност со структурата на електронските обвивки. Електронот што паѓа на антикатодниот материјал, судирајќи се со атомите на антикатодата, може да исфрли електрон од една од внатрешните обвивки на атомот. Резултатот е атом на кој му недостасува електрон во една од неговите внатрешни обвивки. Следствено, електроните од повеќе надворешни обвивки можат да се преселат во слободниот простор. Како резултат на ова, се емитува квант, кој е квант на Х-зраци.

електрони и нарушувања од други електрони. Кога електронот се движи на празно место на внатрешната обвивка, од надворешната обвивка се испушта квант, чија фреквенција

Бидејќи Z за тешки атоми е голема, енергијата на поимите е исто така голема во споредба со енергијата на оптичките членови. Следствено, фреквенциите на зрачење се високи во споредба со оптичките фреквенции. Ова ја објаснува високата енергија на квантите на Х-зраци.

Бидејќи внатрешните обвивки на атомите имаат иста структура, сите тешки атоми треба да имаат исти спектри на Х-зраци, само за потешки атоми спектарот се поместува кон повисоки фреквенции.

Ова е целосно потврдено со експеримент и докажува дека внатрешните обвивки на атомите имаат иста структура, како што се очекуваше кога се објаснува периодниот систем на елементи.

Во 1913 година, англискиот физичар Moseley воспоставил закон кој ги поврзува брановите должини на линиите на спектарот на Х-зраци со атомскиот број на елементот Z. Според овој закон:

Овде R е Ридберговата константа (R=1,1×10 7 1/m), n е бројот на енергетското ниво до кое поминал електронот, k е бројот на енергетското ниво од кое поминал електронот.

Константата s се нарекува скрининг константа. Електроните кои прават транзиции при емитирање на Х-зраци се под влијание на јадрото, чиешто привлекување е донекаде ослабено од дејството на преостанатите електрони што го опкружуваат. Оваа скрининг акција се изразува во потребата да се одземе од zнекоја сума.

Мозелевиот закон ви овозможува да го одредите полнењето на јадрото, знаејќи ја брановата должина на линиите на карактеристичното зрачење на Х-зраци. Токму студиите за карактеристичното рендгенско зрачење овозможија конечно да се подредат елементите во периодниот систем.

Мозелевиот закон покажува дека квадратните корени на термините на Х-зраци зависат линеарно од бројот на полнење Зелементи.

Ако електрон е исфрлен од К-обвивката ( n=1), тогаш кога електроните од другите обвивки се движат кон испразнетиот простор, се емитуваат рендгенски зраци од серијата К. Кога електроните се движат на празно место во L-обвивката ( n=2) се емитува L-серијата итн. Така, експериментално забележаната сличност на структурата на спектрите на Х-зраци и законот на Мозел ги потврдуваат концептите што се користат во толкувањето на периодичниот систем на елементи.

Особеноста на спектрите на апсорпција на Х-зраци се објаснува и со фактот дека емисијата на Х-зраци е поврзана со внатрешните обвивки на атомот. Како резултат на апсорпција на квант на Х-зраци од атом, електрон може да се исфрли од една од внатрешните обвивки на атомот, т.е. процес на фотојонизација. Секоја од апсорпционите ленти одговара на исфрлањето на електрон од соодветната обвивка на атомот. Појасот К (сл. 9.6.) се формира како резултат на исфрлање на електрон од највнатрешната обвивка на атомот - К-обвивка, лентата L - од втората обвивка итн. Остриот долг бран на секоја лента одговара на почетокот на процесот на фотојонизација, т.е. исфрлање на електрон од соодветната обвивка без да му се даде дополнителна кинетичка енергија. Делот со долга бранова должина од појасот на апсорпција одговара на актите на фотојонизација со предавање на вишок кинетичка енергија на електронот. Структурите на спектрите на апсорпција на Х-зраци на тешки елементи се слични едни на други и ја потврдуваат сличноста на структурата на внатрешните обвивки на атомите на тешките елементи. На сл.9.7. може да се види дека секоја од појасите на апсорпција има фина структура: има еден максимум во К-појасот, три максими во L-појасот и пет максими во M-појасот. Ова се објаснува со фината структура на термините на Х-зраци.

Ако електрон се судри со релативно тешко јадро, тој се забавува, а неговата кинетичка енергија се ослободува во форма на фотон на Х-зраци со приближно иста енергија. Ако прелета покрај јадрото, ќе изгуби само дел од својата енергија, а остатокот ќе се префрли на други атоми што ќе наидат на неговиот пат. Секој чин на загуба на енергија води до емисија на фотон со одредена енергија. Се појавува континуиран спектар на Х-зраци, чија горна граница одговара на енергијата на најбрзиот електрон. Ова е механизмот за формирање на континуиран спектар, а максималната енергија (или минималната бранова должина) што ја фиксира границата на континуираниот спектар е пропорционална на напонот за забрзување, кој ја одредува брзината на упадните електрони. Спектралните линии го карактеризираат материјалот на бомбардираната цел, а континуираниот спектар се одредува со енергијата на електронскиот зрак и е практично независен од целниот материјал.

Рендгенското зрачење може да се добие не само со електронско бомбардирање, туку и со зрачење на целта со рендгенско зрачење од друг извор. Меѓутоа, во овој случај, најголемиот дел од енергијата на упадниот зрак оди во карактеристичниот спектар на Х-зраци и многу мал дел од него паѓа во континуираниот. Очигледно е дека зракот на упадното зрачење на Х-зраци мора да содржи фотони чија енергија е доволна за да ги возбуди карактеристичните линии на бомбардираниот елемент. Високиот процент на енергија по карактеристичен спектар го прави овој метод на возбудување на зрачењето со Х-зраци погоден за научно истражување.

Рендгенски цевки.За да произведете рендгенски зраци преку интеракцијата на електроните со материјата, треба да имате извор на електрони, средство за нивно забрзување до големи брзини и цел што може да издржи електронско бомбардирање и да произведе рендгенски зраци со потребниот интензитет. Уредот што го содржи сето ова се нарекува рендгенска цевка. Раните истражувачи користеле „длабоко евакуирани“ цевки како што се модерни цевки за испуштање гас. Вакуумот во нив не беше многу висок.

Цевките за празнење содржат мали количества гас, а кога на електродите на цевката се нанесува голема потенцијална разлика, атомите на гасот се претвораат во позитивни и негативни јони. Позитивните се движат кон негативната електрода (катода) и, паѓајќи врз неа, ги исфрлаат електроните од неа, а тие, пак, се движат кон позитивната електрода (анода) и, бомбардирајќи ја, создаваат поток од фотони на рендген. .

Во модерната рендгенска цевка развиена од Кулиџ, изворот на електрони е волфрамска катода загреана на висока температура. Електроните се забрзуваат до големи брзини со големата потенцијална разлика помеѓу анодата (или анти-катодата) и катодата. Бидејќи електроните мора да стигнат до анодата без да се судрат со атомите, неопходен е многу висок вакуум, што бара цевката добро да се евакуира. Ова исто така ја намалува веројатноста за јонизација на преостанатите атоми на гас и добиените странични струи.

Електроните се фокусирани на анодата со специјално обликувана електрода што ја опкружува катодата. Оваа електрода се нарекува фокусирачка електрода и заедно со катодата го формира „електронскиот рефлектор“ на цевката. Анодата што е подложена на електронско бомбардирање мора да биде направена од огноотпорен материјал, бидејќи најголемиот дел од кинетичката енергија на електроните на бомбардирањето се претвора во топлина. Покрај тоа, пожелно е анодата да биде направена од материјал со висок атомски број, бидејќи Приносот на Х-зраци се зголемува со зголемување на атомскиот број. За аноден материјал најчесто се избира волфрам, чиј атомски број е 74.

Дизајнот на рендгенските цевки може да варира во зависност од условите и барањата за примена.

Принципи на дифракција на Х-зраци.За да го разбереме феноменот на дифракција на Х-зраци, треба да го разгледаме по редослед: прво, спектарот на зрачењето на Х-зраците, второ, природата на кристалната структура и трето, самиот феномен на дифракција.

Како што споменавме погоре, карактеристичното рендгенско зрачење се состои од низа спектрални линии со висок степен на монохроматичност, определена од анодниот материјал. Со помош на филтри можете да ги истакнете најинтензивните. Затоа, со соодветно избирање на анодниот материјал, можно е да се добие извор на речиси монохроматско зрачење со многу прецизно дефинирана бранова должина. Карактеристичните бранови должини на зрачење обично се движат од 2,285 за хром до 0,558 за сребро (вредностите за различни елементи се познати на шест значајни бројки). Карактеристичниот спектар е надреден на континуиран „бел“ спектар со многу помал интензитет, поради забавувањето на инцидентните електрони во анодата. Така, од секоја анода може да се добијат два типа на зрачење: карактеристично и bremsstrahlung, од кои секоја игра важна улога на свој начин.

Атомите во кристалната структура се распоредени со редовна периодичност, формирајќи низа од идентични ќелии - просторна решетка. Некои решетки (како оние за повеќето обични метали) се прилично едноставни, додека други (како оние за протеински молекули) се прилично сложени.

Следното е карактеристично за кристалната структура: ако некој се движи од одредена точка на една клетка до соодветната точка на соседната ќелија, тогаш ќе се открие точно истата атомска средина. И ако одреден атом се наоѓа во една или друга точка во една ќелија, тогаш истиот атом ќе се наоѓа на еквивалентна точка во која било соседна клетка. Овој принцип е строго валиден за совршен, идеално подреден кристал. Меѓутоа, многу кристали (на пример, метални цврсти раствори) се нарушени до еден или друг степен, т.е. кристалографски еквивалентни места може да бидат окупирани од различни атоми. Во овие случаи, не се одредува позицијата на секој атом, туку само позицијата на атомот „статистички просечен“ над голем број честички (или клетки).

Дифракција на Х-зраци е колективна појава на расејување во која улогата на дупките и центрите за расејување ја играат периодично распоредените атоми на кристалната структура. Взаемното подобрување на нивните слики под одредени агли создава дифракциона шема слична на онаа што би се појавила кога светлината е дифракција на тридимензионална дифракциона решетка.

Расејувањето се јавува поради интеракцијата на инцидентните рендгенски зраци со електроните во кристалот. Поради фактот што брановата должина на Х-зраците е со ист ред на големина како и големината на атомот, брановата должина на расеаните рендгенски зраци е иста како и инцидентните рендгенски зраци. Овој процес е резултат на принудни осцилации на електроните под влијание на инцидентните рендгенски зраци.

Размислете сега за атом со облак од врзани електрони (кои го опкружуваат јадрото) што е погоден од Х-зраци. Електроните во сите правци истовремено го расејуваат упадното зрачење и испуштаат сопствено зрачење на Х-зраци со иста бранова должина, иако со различен интензитет. Интензитетот на расеаното зрачење е поврзан со атомскиот број на елементот, бидејќи атомскиот број е еднаков на бројот на орбиталните електрони кои можат да учествуваат во расејувањето. (Оваа зависност на интензитетот од атомскиот број на елементот за расејување и од насоката во која се мери интензитетот се карактеризира со факторот на атомско расејување, кој игра исклучително важна улога во анализата на кристалната структура.)

Дозволете ни да избереме линеарен ланец на атоми во кристалната структура, лоцирани на исто растојание едни од други, и да ја разгледаме нивната шема на дифракција. Веќе е забележано дека спектарот на Х-зраци се состои од континуиран дел („континуум“) и збир на поинтензивни линии карактеристични за елементот што е аноден материјал. Да речеме дека го филтриравме континуираниот спектар и добивме речиси монохроматски зрак на Х-зраци насочени кон нашиот линеарен ланец на атоми. Условот на засилување (засилувачка интерференција) е задоволен ако разликата во патеките на брановите расеани од соседните атоми е множител на брановата должина. Ако гредата падне под агол а 0 до линија на распоредени атоми а(период), потоа за аголот на дифракција аво форма ќе се запише разликата на патеката што одговара на засилувањето

а(кос а– кос а 0) = hl,

Каде ле брановата должина и ч– цел број.

За да се прошири овој пристап до тридимензионален кристал, потребно е само да се изберат редови на атоми долж две други насоки во кристалот и заеднички да се решат трите равенки добиени на тој начин за трите кристални оски со периоди. а, бИ в. Другите две равенки ја имаат формата

Ова се трите фундаментални Laue равенки за дифракција на Х-зраци и броевите ч, кИ все Милеровите индекси за дифракционата рамнина. Со оглед на која било од равенките Лауе, на пример првата, може да се забележи дека, бидејќи а, а 0, лсе константи и ч= 0, 1, 2, ..., неговото решение може да се претстави како збир на конуси со заедничка оска а(сл. 5). Истото важи и за насоките. бИ в.

Во општиот случај на тридимензионално расејување (дифракција), трите Laue равенки мора да имаат заедничко решение, т.е. мора да се сечат три дифракциони конуси лоцирани на секоја од оските; општата линија на пресек е прикажана на сл. 6. Заедничкото решение на равенките води до законот Брег-Волф:

л= 2(г/n)грев q,

Каде г– растојание помеѓу рамнините со индекси ч, кИ в(период), n= 1, 2, ... се цели броеви (редослед на дифракција), и q– аголот што го формира упадниот зрак (како и дифракциониот зрак) со кристалната рамнина во која се јавува дифракција.

Анализирајќи ја равенката на Браг-Волфовиот закон за еден кристал лоциран на патеката на монохроматски зрак на Х-зраци, можеме да заклучиме дека дифракцијата не е лесно да се набљудува, бидејќи количини лИ qсе поправени, а гревот q < 1. При таких условиях, чтобы имела место дифракция для рентгеновского излучения с длиной волны л, кристална рамнина со точка гмора да се сврти кон правилниот агол q. За да се реализира овој неверојатен настан, се користат различни техники.

Покрај тоа што директното возбудување на атомите на елементот се одредува со примарното зрачење на Х-зраци, може да се забележат и голем број други ефекти кои ја нарушуваат линеарната зависност на интензитетот на карактеристичната линија од концентрацијата на елементот. Интензитетот не зависи само од содржината на анализираните атоми во примерокот, туку и од процесите на апсорпција и расејување на оваа супстанца, кои заедно го даваат т.н.

СЛАБЕЊЕ

Ако насочен зрак на рендгенско зрачење поминува низ слој супстанција со дебелина D и густина c, тогаш неговиот интензитет се намалува според експоненцијалниот закон:

Јас= I0e-µD

каде µ е коефициентот на слабеење, кој е параметар на материјалот и исто така зависи од брановата должина на зрачењето со рентген. Коефициентот µ е пропорционален на c и брзо се зголемува со зголемување на атомскиот број на елементот и брановата должина на рендген. Односот µ/c се нарекува коефициент на слабеење на масата. Види Сл.2

Како што споменавме порано, слабеењето се состои од два физички процеси - апсорпција и расејување, т.е. коефициентот на слабеење е:

каде f е коефициентот на апсорпција; y е коефициентот на расејување.

Главната поента е дека фракцијата φ се зголемува со Z и λ, и дека оваа компонента доминира y во опсегот на бранова должина типичен за XRF анализа (освен за најлесните елементи како што е јаглеродот). Затоа, во практиката на XRF, слабеењето е идентично со апсорпцијата.

АПСОРПЦИЈА

Апсорпцијата настанува кога квантите на надворешното зрачење се спуштаат на материјалот ги исфрлаат електроните од атомската обвивка.

Во овој случај, енергијата на квантите на зрачење се троши, од една страна, на откинување (работна функција) на електроните од атомите и, од друга страна, на пренесување на кинетичка енергија на нив.

Претходно воведениот коефициент φ е функција од брановата должина на зрачењето. Слика 3 ја прикажува како пример зависноста на коефициентот на апсорпција на маса φ од l, или таканаречениот апсорпционен спектар.

Кривата не е мазна. Постојат скокови во спектарот наречени апсорпциони рабови, кои се јавуваат поради квантната природа на апсорпцијата, а се вели дека спектарот на апсорпција има линиска форма.

Апсорпциониот раб е индивидуална карактеристика на атомите што одговара на енергетската вредност при која се јавува нагло менување на коефициентот на апсорпција. Оваа карактеристика на апсорпција има едноставно физичко објаснување. При фотонски енергии што ја надминуваат енергијата на врзување на електроните во K-обвивката, пресекот на апсорпција за електроните во L-обвивката е барем по ред на големина помал отколку за K-обвивката.

Како што се намалува енергијата на квантите на Х-зраци и се приближува до енергијата на апстракција на електрони од К-обвивката, апсорпцијата се зголемува во согласност со формулата каде што е даден коефициентот C за K-обвивката.

fm = CNZ4лn/A

каде N е бројот на Авогадро, Z е атомскиот број на впивачкиот елемент, A е неговата атомска тежина, l е бранова должина, n е експонентот кој зема вредности помеѓу 2,5 и 3,0, а C е константа што се намалува постепено кога поминува преку работ на апсорпција.

Кога енергијата на квантите на Х-зраци се намалува под енергијата на врзување на електронот во К-обвивката (~ 20 keV), се јавува нагло намалување на апсорпцијата. бидејќи рендгенските зраци со помала енергија можат да комуницираат само со електроните во L и M обвивките. Како што енергијата дополнително се намалува, апсорпцијата повторно се зголемува во согласност со формулата во која е наведен коефициентот C за L-школка. Овој раст продолжува до скокови што одговараат на сврзувачките енергии на електроните во L-обвивките. Овој процес потоа се случува за електроните во М-обвивките, итн.

РАСТЕРНУВАЊЕ

Феноменот кога рендгенскиот зрак ја менува насоката при интеракција со супстанција се нарекува расејување. Ако расеаното зрачење има иста бранова должина како примарното зрачење, тогаш процесот се нарекува еластично или Рејлево расејување. Еластичното расејување се јавува на врзаните електрони и се користи за одредување на кристалната структура на супстанцијата користејќи методи на дифракција на Х-зраци. Ако брановата должина на расеаното зрачење е поголема од брановата должина на примарното зрачење, тогаш процесот се нарекува нееластично или Комптонов расејување. Нееластичното расејување е резултат на интеракцијата на Х-зраците со слабо врзаните надворешни електрони.

Иако расејувањето е мало во споредба со апсорпцијата, тоа се случува во сите случаи, вклучително и во анализата на флуоресценција на Х-зраци. Заедно со карактеристичното рендгенско зрачење генерирано за време на флуоресцентното возбудување, расеаното зрачење формира секундарно поле на зрачење, кое го снима спектрометарот. Меѓутоа, при рендгенската флуоресцентна анализа, главно се користи карактеристично флуоресцентно зрачење; расеаното зрачење е најчесто пречки што формира позадина и отсјај во спектарот. Пожелно е да има расеано зрачење на најниско можно ниво.

Расејување и апсорпција на рендгенско зрачење.

Х-зраци зрачење(Х-зраци, рендген, 1895) се случува кога брзите електрони бомбардираат метална цел – анодна ( антикатода) (Сл. 3.16). Во техничките рендгенски цевки, напонот за забрзување помеѓу катодата и анодата е околу 100 kV. Од искуство Баркла(1905) од двојното расејување на зрачењето на Х-зраци, следело дека ова зрачење е попречно поларизирано. Експерименти Брег, Лауе, Фридрих, Книпинг,и ДебајИ Шерерсо дифракција на Х-зраците во кристалите тие покажаа дека рендгенските зраци, како и светлината, имаат електромагнетно потекло. Сепак, Х-зраците имаат многу пократки бранови должини. Зрачењето на Х-зраци го зафаќа спектралниот регион помеѓу гама и ултравиолетовото зрачење во опсегот на бранова должина од до cm.

Сл.3.16 Извори на рендгенско зрачење - рендгенски цевки,

некои радиоактивни изотопи, акцелератори на наелектризирани честички, ласери со рендген, Сонцето и други вселенски објекти.

Два типа на Х-зраци: кочењеИ карактеристика.

Bremsstrahlung(ориз . 3.17) настанува поради забавување на електроните во целта и не зависи од целната супстанција. Спектарот на bremsstrahlung е континуиран бидејќи наизменичната струја поврзана со електронот што се сопира варира монотоно, а не периодично. Како што се зголемува брановата должина, интензитетот на зрачењето bremsstrahlung монотоно се намалува по максимумот. На страната со кратка бранова должина, интензитетот нагло престанува – граница на кратки бранови(квантна граница) бремстралунг зрачење. Според корпускуларните концепти, енергијата на квантот на зрачење ќе биде максимална ако целата енергија на електронот се забавува во целта eVпотрошени на зрачење:

. (3.48)

Определувањето на границата на кратки бранови во експериментот ни овозможува да најдеме, користејќи ја формулата (3.48), многу точна вредност на комбинацијата на константи hc/e.

Со зголемување на напонот за забрзување, се појавуваат остри максими против позадината на континуиран спектар, почнувајќи од одредена критична вредност. Нивната позиција зависи од целната супстанција (сл. 3.17б). Овие максими се поврзани со карактеристично зрачење со рендген.Има линија, дискретен спектар. Во ова е слично на оптичкото зрачење на атомите. Карактеристичното зрачење е исто така групирано во спектрални серии (сл. 3.18). Нивната ознака: К – серија, Л – серија, М – серии итн. ( Баркла, 1911). Сепак, својствата на карактеристичното зрачење значително се разликуваат од својствата на оптичкото зрачење:

I. Карактеристичното зрачење има мал број линии;

II. Нема периодичност во спектрите на Х-зраци кога секвенцијално минува низ периодичниот систем. Забележано е монотоно поместување на делот од спектарот со кратка бранова должина;

III. Карактеристичната радијација е чисто атомско својство на супстанција.Не зависи од тоа дали

Сл. 3.18 супстанција во чиста форма или во некоја хемиска форма

поврзување. Ова овозможува да се анализира составот на сложените хемиски соединенија;

IV. Отсутен превртување на спектралните линии.Во оптичкиот опсег, спектрите на емисија и апсорпционите спектри на даден атом се меѓусебно реверзибилни. Тие се карактеризираат со исти бранови должини. Во овој случај, спектрите на апсорпција се добиваат со поминување на континуирана светлина низ ладни парови атоми. Ако континуираното рендгенско зрачење се пренесува низ супстанција, тогаш не се набљудуваат карактеристичните линии на зрачење, туку ленти за апсорпција.

Механизмот на појава на карактеристично зрачење не е поврзан со периферните електрони на атомот, како во случајот со оптичкото зрачење, туку со неговите внатрешни електрони. Со толкување Косел(1917) карактеристичното зрачење се јавува во две фази:

1) електрон што бомбардира цел исфрла електрон од атомот од некоја внатрешна обвивка. Како резултат на ова, атомот се возбудува и се формира „дупка“ во обвивката;

2) електроните на атомот од горните нивоа се движат до нивото со „дупката“. Вишокот енергија се ослободува во форма на рендгенски зраци - К – , Л – , М – , Н – серија (сл. 3.19).

Поединечните линии на секоја спектрална серија се означени по редослед на намалување на брановата должина: . ДО – серијата е најкратка: . Сите линии имаат фина структура. Линии К – сериите се дублети: .

Со зголемување на енергијата на електроните кои се судираат со

Сл. 3.19 со цел, се појавуваат линии на долги бранови серии,

и на крај се појавуваат линиите К – серија. Најмалата вредност на забрзувачката потенцијална разлика при која линиите на одредена серија се појавуваат во карактеристичниот спектар - критичен потенцијал за возбудувањеоваа серија за оваа ставка. М – серијата има 5 критични возбудувачки потенцијали, Л – серија – 3, К – серија – 1 (сл. 3.19). Потенцијал на возбуда К – серија - јонизациски потенцијал на атом. Ако К е возбуден – серии, тогаш сите други серии на даден елемент се појавуваат истовремено.

Спектрите на рендгенските зраци на атомите овозможуваат точно да се одреди полнежот на јадрото (атомскиот број на елементот во периодичниот систем на Менделеев). Тоа покажа Мозили(1913): фреквенцијата на линиите на Х-зраци се одредува со формула од типот Балмер. Конкретно, фреквенцијата на линијата е:

. (3.49)

Z - 1 ефективен нуклеарен полнеж, кој е заштитен со еден од електроните К – Слој. Слична приближна формула е добиена за линијата, при што ефективно нуклеарно полнење се дефинира како З–а, Каде а -заштитна константа. Мозелевиот закон(Сл. 3.20) :

– постојана.

Кога минува низ слој на супстанција дебел XИнтензитетот на паралелниот рендген зрак е ослабен според законот:

k - коефициент на слабеење. Слабеењето на зрачењето настанува од две причини: поради расфрлање, како резултат на што некои од зраците ја менуваат својата првобитна насока; поради апсорпција (апсорпција) , како резултат на што дел од енергијата на зрачењето на крајот се претвора во топлина:

– вистински коефициент на апсорпција,– коефициент на дисипацијаХ-зраци.

Често се користат коефициенти на маса:

, (3,50б)

– густина на супстанцијата.

Исто така се користи атомски коефициенти:

, (3,50 V)

– атомска маса, А -маса на мол супстанција, – Бројот на Авогадро.

Расејување на зрачењепредизвикани од нехомогености на медиумот и флуктуации во неговата густина. Во опсегот на Х-зраци, нехомогеност се атомите и електроните во атомите. Кога меко рендгенско зрачење, кога неговата бранова должина е доволно голема и ја надминува големината на атомот, атомот го расејува инцидентното зрачење како целина. Расфрлање кохерентно -инцидентот и расеаното зрачење се карактеризираат со иста фреквенција (бранова должина). Ова – Томсон се расфрла, чиј пресек е одреден со класичниот електронски радиус .

Кога тешко рендгенско зрачење(енергија повеќе од 10 keV) станува расејување некохерентна(Комптон, 1923). Дијаграм за инсталација на Комптон (сл. 3.21). Цевка за извор на рендген Тсо молибден антикатода. Со помош на дијафрагми и филтри, изолирано е зрачење со бранова должина од 0,71 (линија), кое паднало на

Сл.3.21 примерок Р(од графит). Извршена е анализа на расеано зрачење

користејќи дифракционен спектрометар (кристал ДОи фотографска плоча Р). Експериментите на Комптон покажаа дека, заедно со поместената линија на расејување, се забележува и непоместена линија (сл. 3.22). Неговата појава е поврзана со кохерентно расејување на зрачењето од атомот како целина. Згора на тоа, колку е потешко рендгенското зрачење, т.е. Колку е поголема енергијата на квантот на Х-зраци во споредба со енергијата на врзување на електронот во атомот, толку е повалидна приближувањето на слободен електрон, а помала е улогата на кохерентно расејување на зрачењето на Х-зраци за дадена супстанција. Сепак, ефектот на Комптон игра доминантна улога во енергиите на фотоните до 1 MeV. При повисоки енергии, друг процес станува позначаен - раѓање на паровиОва е процес на претворање на фотон во пар електрон-позитрон.

Апсорпционен спектарХ-зраци зрачењето е пруги.Ова се разликува од оптичките спектри на апсорпција, кои се состојат од поединечни линии. Апсорпцијата на зрачењето со Х-зраци не зависи од оптичките својства на супстанцијата. На пример, оловното стакло со дебелина од неколку милиметри е проѕирно на светлина, но речиси целосно ги апсорбира рендгенските зраци; Алуминиумскиот лим е целосно непроѕирен на светлина, но не апсорбира рендгенски зраци. Во рамките на опсегот на апсорпција, коефициентот на апсорпција на фотоните на Х-зраци со енергија од до eV монотоно се намалува во согласност со приближната формула (сл. 3.23):

Сл. 3.22 – емпириска константа. Острите скокови се рабовите на лентите за апсорпција. Тие

одговараат на енергија доволна за исфрлање на електроните од слоевите M–, L–, K– (критични потенцијали за возбудување на M–, L–, K– сериите). „Назабени“ рабови на лентата: секоја серија, освен К-серијата, има неколку критични потенцијали. Од вредностите на овие рабови се наоѓа сврзувачката енергија на електроните во слоевите и обвивките на атомите.

Апсорпцијата на зрачењето на Х-зраци може да биде придружена и со јонизација на атомите (и појава на фотоелектрони) и со емисија на зрачење со пониска фреквенција (флуоресценција). Според (3.53), со зголемување на енергијата на фотонот (се намалува брановата должина), апсорпцијата на зрачењето на Х-зраци слабее. Затоа, зрачењето со кратки бранови има висока продорна способност ( тврдо зрачење).МекоРендгенското зрачење многу силно се апсорбира од речиси сите супстанции.

Силна зависност на коефициентот на апсорпција од фреквенцијата

Сл. 3.23 се користи за производство на филтри кои отсекуваат меки

дел од спектарот. Апсорпцијата на Х-зраци е чисто атомско својство на супстанцијата: коефициентот на молекуларна апсорпција е дополнително збирот на коефициентите на атомска апсорпција на елементите што ја сочинуваат супстанцијата.

Во 1925 г Шнејкаго проучувал процесот на формирање на електрони кога тврдите рендгенски зраци се апсорбираат од атоми на криптон. Со фотографирање на трагите на фотоелектрони кои се појавуваат во комора на облак, Огер откри дека понекогаш трагите на два наместо еден електрон излегуваат од една точка. Ова Ефект на шнег.Механизмот на појавата на вториот електрон Огер: Влијанието на квантум на тврдо зрачење на Х-зраци врз атомот доведува до исфрлање на електрон од К-слојот, во кој се формира „дупка“. Атомот станува јонизиран и силно возбуден. Ослободувањето на нејзината енергија во форма на рентген не е единствениот механизам. Енергијата на возбуда на атомот е толку висока што втор електрон може да избега од L-слојот, и без зрачењеквантна Енергија Ожерен електрон eVутврдени со законот за зачувување на енергијата:

, (3.54)

– енергијата на фотонот што може да се емитува, – енергијата на јонизација на L-електронот. Внатрешна прераспределба на енергијата се случува во атомот, наречен внатрешна конверзија,што доведува до ослободување на Ауџер електрон од него. Атомот станува двојно јонизиран. Аугер ефектот се смета како манифестација на општ процес автојонизација на возбуден атом,што настанува како резултат на внатрешна конверзија. Овој ефект е особено изразен во случај на забранети електромагнетни транзиции, на пример, во транзиции од 0-0.

Зрачењето на Х-зраци е широко користено во различни области на науката и технологијата: во студиите за електронската структура на атомите, молекулите и цврстите материи, во медицината, минералогијата, науката за материјали итн. Развиени се различни методи на истражување: микроскопија со рендген, спектроскопија на рендген, топографија на рендген, создадени се бројни инструменти, вклучително и за проучување на вселенски објекти (телескоп со рендген) и за проучување на биолошки предмети - крут рендген микроскоп без леќи.

.Предавање 22. Земан ефект. Пашен-Бак ефект.