Страница 1

Лекция 10

Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом (фотоэффект, эффект Комптона). Сечение фотоэффекта и его связь с линейным коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. Расчет массового коэффициента поглощения для полиатомных образцов.

Полезное соотношение при переходе от энергии фотона к длине волны

Произведение энергии на длину волны = hc = 12,4 кэВÅ

(10.1)
При прохождении пучка фотонов через твердое тело возможны следующие процессы, приводящие к ослаблению интенсивности пучка:

• 
  рождение фотоэлектронов в результате фотоэффекта;
• 
  комптоновское рассеяние;
• 
  образование электрон-позитронных пар.

Последний из этих процессов, заключающийся в поглощении фотона с образованием электрон-позитронной пары, может происходить только в случае если энергия фотона  2m e c 2 = 1,02 МэВ. В методах элементного и структурного анализа фотоны с такими энергиями не используются, поэтому данный процесс рассматриваться не будет.

Комптоновское рассеяние приводит в принципе не к поглощению фотона, а к изменению направления его движения (рассеянию на угол ) с одновременным увеличением его длины волны на величину  = (h /m e c )(1 – cos), где h /m e c = 0,0243 Å – комптоновская длина волны электрона . Энергии фотонов, используемых в методах анализа, обычно не превышают 10 кэВ, что соответствует длине волны  = 1,24 Å. Поэтому, даже для максимального угла рассеяния  = 90 о относительное изменение длины волны в результате комптоновского рассеяния /  210 -2 . Кроме того, при указанных энергиях, вероятность процесса комптоновского рассеяния значительно ниже вероятности рождения фотоэлектрона. Таким образом, преобладающий вклад в ослабление пучка фотонов (рентгеновских квантов) вносит фотоэффект.

Напомним, что при фотоэффекте рентгеновский квант с энергией ħ  передает всю энергию атомному электрону, в результате чего последний вылетает из атома с энергией

Е е = ħ  – Е св,

(10.2)
где Е св – энергия связи электрона в атоме.

Для осуществления фотоэффекта необходимо условие ħ   Е св, поэтому при фиксированной энергии кванта фотоэффект может иметь место на одних оболочках (подоболочках) и отсутствовать на других.

В соответствие с выражением (10.2), при облучении образца рентгеновскими квантами фиксированной энергии (монохроматическим рентгеновским излучением) из образца будут вылетать фотоэлектроны с различными энергиями, отвечающие различным энергиям связи. Измерив Е е и зная ħ , можно определить Е св и установить, каким атомом испущен фотоэлектрон. Эта возможность лежит в основе метода анализа, называемого рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией.

Квантовомеханический расчет дает следующее выражение для зависимости сечения фотоэффекта на оболочке (подоболочке) с энергией связи Е св

Так как e 2 ħ /m e c = 5,5610 -2 кэВÅ 2 , то, объединив все константы, получим следующее выражение

Å 2 , если ħ  в кэВ.

(10.3)
Если ввести ħ  0 = hc / 0 = Е св, то получим зависимость сечения фотоэффекта от длины волны рентгеновского излучения в виде

 0 называется длиной волны края поглощения (если К -оболочка, то К -край поглощения, если L 1 , то L 1 -край поглощения).

И
з приведенных выражений следует, что при ħ   Е св (   0) сечение фотоэффекта стремится к бесконечности. В действительности, наблюдается резкий рост величины  ph до некоторой величины, после чего сечение фотоэффекта на данной оболочке (подоболочке) становится равным нулю (ħ   Е св). При этом, естественно, сечение фотоэффекта на оболочке с меньшей энергией связи не равно нулю. На рис. 10.1а приведена зависимость сечения фотоэффекта от энергии квантов, а на рис. 10.1б – от длины волны вблизи края поглощения.

Полное сечение фотоэффекта в атоме  ph складывается из сечений фотоэффекта на каждой из s оболочек/подоболочек , которые зависят от ћ  и Е св данной оболочки/подоболочки.

Если сечение фотоэффекта рентгеновского кванта с энергией ћ  на оболочке/подоболочке в моноатомном образце с атомной концентрацией n 0 равно , тогда средняя длина свободного пробега кванта до его поглощения с выходом фотоэлектрона с s оболочки/подоболочки

, (10.5)

где n s – число электронов на s оболочке/подоболочке.

Пусть внутри образца интенсивность потока рентгеновских квантов равна I перед входом в слой толщиной dx , тогда доля поглощенного пучка за счет фотоэффекта в этом слое есть

,

где  s = n 0 n s .

Из этого дифференциального уравнения следует, что интенсивность потока рентгеновских квантов после прохождения образца толщиной l связана с интенсивность потока на входе в образец I 0 следующим соотношением:

,

где
– коэффициент линейного поглощения . Единица измерения  – см -1 .

Иногда используется понятие длина ослабления – расстояние вдоль нормали к поверхности образца, на котором интенсивность рентгеновского излучения спадает в е раз. Длина ослабления обычно измеряется в мкм.

Существующие в настоящее время модели расчета , особенно при энергии кванта ћ  близкой к Е св, недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, поэтому на практике предпочитают пользоваться экспериментально определенными значениями коэффициента линейного поглощения рентгеновских квантов различных энергий в моноатомных материалах, которые определяются по изменению интенсивности потока рентгеновских квантов после прохождения образца известной толщины.

В справочниках обычно приводятся значения массового коэффициента поглощения  /  , где  – плотность поглотителя, единица измерения / – см 2 /г. Использование массового коэффициента поглощения обусловлено во-первых тем, что для определения линейного коэффициента поглощения необходимо измерять с большой точностью толщину тонкого (порядка микрона) поглотителя, для определения же массового коэффициента поглощения достаточно взвесить образец и определить площадь, облучаемую рентгеновским излучением на поглотителе, что можно сделать с существенно большей точностью. При известной плотности поглотителя  очевидно, что  = (/).

Во-вторых, использование массового коэффициента поглощения позволяет рассчитать / для соединения, состоящего из различных элементов по известным значениям (/) i каждого из элементов, входящего в состав соединения. Делается это следующим образом.

Пусть
– полное сечение (по всем оболочкам и подоболочкам) фотоэффекта на атоме i -го компонента соединения. Тогда линейный коэффициент поглощения в соединении может быть записан как

,

где n i и M i – атомная концентрация и атомная масса i -го компонента в соединении, n 0 i – атомная концентрация моноэлементного образца, состоящего только из i -го компонента, m 0 – атомная единица массы (1,6610 -24 г). Произведение в круглых скобках равно линейному коэффициенту поглощения i - го компонента; произведение, стоящее в знаменателе, представляет собой плотность i -го компонента, поэтому линейный коэффициент поглощения может быть представлен в виде

.

Плотность соединения можно представить в виде
и массовый коэффициент поглощения записать как

,

где  – атомная плотность соединения.

Если стехиометрический состав соединения известен, то известны и относительные концентрации каждого i -го компонента С i . Так как С i = n i /n , то окончательно, массовый коэффициент поглощения соединения имеет вид:

.

Иногда массовый коэффициент поглощения записывают через весовые доли Р i i -го компонента соединения (
).

На рис. 10.2 в качестве примера приведена зависимость массового коэффициента поглощения в никеле от длины волны рентгеновского излучения. Сильная зависимость / следует из энергетической зависимости сечения фотоэффекта от энергии рентгеновского кванта (длины волны). При длине волны меньше К –края поглощения, определяемой как h с /(соответственно при ћ  > ), кванты в основном поглощаются на К оболочке (
). При длине волны большей К –края поглощения этот процесс происходит на L - подоболочках, где для массового коэффициента поглощения также наблюдаются соответственно края L 1 , L 2 и L 3 – поглощения.

страница 1

Рассмотренные нами соотношения отражают количественную сторону процесса ослабления рентгеновского излучения. Остановимся кратко на качественной стороне процесса, или на тех физических процессах, которые вызывают ослабление. Это, во-первых, поглощение, т.е. превращение энергии рентгеновского излучения в другие виды энергии и, во-вторых, рассеяние, т.е. изменение направления распространения излучения без изменения длины волны (классическое рассеяние Томпсона) и с изменением длины волны (квантовое рассеяние или комптон-эффект).

1. Фотоэлектрическое поглощение . Рентгеновские кванты могут вырывать с электронных оболочек атомов вещества электроны. Их обычно называют фотоэлектронами. Если энергия падающих квантов невелика, то они выбивают электроны с наружных оболочек атома. Фотоэлектронам сообщается большая кинетическая энергия. С увеличением энергии рентгеновские кванты начинают взаимодействовать с электронами, находящимися на более глубоких оболочках атома, у которых энергия связи с ядром больше, чем электронов наружных оболочек. При таком взаимодействии почти вся энергия падающих рентгеновских квантов поглощается, и часть энергии, отдаваемой фотоэлектронам, меньше, чем в первом случае. Кроме появления фотоэлектронов в этом случае испускаются кванты характеристического излучения за счет перехода электронов с вышележащих уровней на уровни, расположенные ближе к ядру.

Таким образом, в результате фотоэлектрического поглощения возникает характеристический спектр данного вещества - вторичное характеристическое излучение. Если вырывание электрона произошло с K-оболочки, то появляется весь линейчатый спектр, характерный для облучаемого вещества.

Рис. 2.5. Спектральное распределение коэффициента поглощения.

Рассмотрим изменение массового коэффициента поглощения t/r, обусловленное фотоэлектрическим поглощением в зависимости от длины волны l падающего рентгеновского излучения(рис.2.5). Изломы кривой называются скачками поглощения, а соответствующая им длина волны - границей поглощения. Каждый скачек соответствует определенному энергетическому уровню атома K, L, M и т.д. При l гр энергия рентгеновского кванта оказывается достаточной для того, чтобы выбить электрон с этого уровня, в результате чего поглощение рентгеновских квантов данной длины волны резко возрастает. Наиболее коротковолновый скачек соответствует удалению электрона с K-уровня, второй с L-уровня, и т.д. Сложная структура L и M-границ обусловлена наличием нескольких подуровней в этих оболочках. Для рентгеновских лучей с длинами волн несколько большими l гр, энергия квантов недостаточна, чтобы вырвать электрон с соответствующей оболочки, вещество относительно прозрачно в этой спектральной области.

Зависимость коэффициента поглощения от l и Z при фотоэффекте определяется как:

t/r = Сl 3 Z 3 , (2.11)

где С - коэффициент пропорциональности, Z - порядковый номер облучаемого элемента, t/r - массовый коэффициент поглощения, l - длина волны падающего рентгеновского излучения.

Эта зависимость описывает участки кривой рис.2.5 между скачками поглощения.

2. Классическое (когерентное) рассеяние объясняет волновая теория рассеяния. Оно имеет место в том случае, если квант рентгеновского излучения взаимодействует с электроном атома, и энергия кванта недостаточна для вырывания электрона с данного уровня. В этом случае, согласно классической теории рассеяния, рентгеновские лучи вызывают вынужденные колебания связанных электронов атомов. Колеблющиеся электроны, как и все колеблющиеся электрические заряды, становятся источником электромагнитных волн, которые распространяются во все стороны.

Интерференция этих сферических волн приводит к возникновению дифракционной картины, закономерно связанной со строением кристалла. Таким образом, именно когерентное рассеяние дает возможность получать картины дифракции, на основании которых можно судить о строении рассеивающего объекта. Классическое рассеяние имеет место при прохождении через среду мягкого рентгеновского излучения с длинами волн более 0,3 Å. Мощность рассеяния одним атомом равна:

p= × ×Z× I 0 , (2.12)

а одним граммом вещества

где I 0 - интенсивность падающего рентгеновского пучка, N - число Авогадро, A - атомный вес, Z - порядковый номер вещества.

Отсюда можно найти массовый коэффициент классического рассеяния s кл /r, поскольку он равен P/I 0 или s кл /r = × × Z .

Подставив все значения, получим s к,л /r = 0,402 .

Так как у большинства элементов Z /A@0,5 (кроме водорода), то

s кл /r » 0,2 , (2.14)

т.е. массовый коэффициент классического рассеяния примерно одинаков для всех веществ и не зависит от длины волны падающего рентгеновского излучения.

3. Квантовое (некогерентное) рассеяние . При взаимодействии вещества с жестким рентгеновским излучением (длиной волны менее 0,3 Å) существенную роль начинает играть квантовое рассеяние, когда наблюдается изменение длины волны рассеянного излучения. Это явление нельзя объяснить волновой теорией, но оно объясняется квантовой теорией. Согласно квантовой теории такое взаимодействие можно рассматривать как результат упругого столкновения рентгеновских квантов со свободными электронами (электронами внешних оболочек). Этим электронам рентгеновские кванты отдают часть своей энергии и вызывают переход их на другие энергетические уровни. Электроны, получившие энергию, называются электронами отдачи. Рентгеновские кванты с энергией hn 0 в результате такого столкновения отклоняются от первоначального направления на угол y, и будут иметь энергию hn 1 , меньшую, чем энергия падающего кванта. Уменьшение частоты рассеянного излучения определяется соотношением:

hn 1 = hn 0 - E отд, (2.15)

где E отд - кинетическая энергия электрона отдачи.

Теория и опыт показывают, что изменение частоты или длины волны при квантовом рассеянии не зависит от порядкового номера элемента Z , но зависит от угла рассеянияy. При этом

l y - l 0 = l = ×(1 - cos y) @ 0,024 (1 - cosy) , (2.16)

где l 0 и l y - длина волны рентгеновского кванта до и после рассеяния,

m 0 - масса покоящегося электрона, c - скорость света.

Из формул видно, что по мере увеличения угла рассеяния, l возрастает от 0 (при y = 0°) до 0,048 Å (при y = 180°). Для мягких лучей с длиной волны порядка 1 Å эта величина составляет небольшой процент примерно 4-5 %. Но для жестских лучей (l = 0,05 - 0,01 Å) изменение длины волны на 0,05 Å означает изменение l вдвое и даже в несколько раз.

Ввиду того, что квантовое рассеяние некогерентно (различно l, различен угол распространения отраженного кванта, нет строгой закономерности в распространении рассеянных волн по отношению к кристаллической решетке), порядок в расположении атомов не влияет на характер квантового рассеяния. Эти рассеянные рентгеновские лучи участвуют в создании общего фона на рентгенограмме. Зависимость интенсивности фона от угла рассеяния может быть теоретически вычислена, что практического применения в рентгеноструктурном анализе не имеет, т.к. причин возникновения фона несколько и общее его значение не поддается легкому расчету.

Рассмотренные нами процессы фотоэлектронного поглощения, когерентного и некогерентного рассеяния определяют, в основном ослабление рентгеновских лучей. Кроме них возможны и другие процессы, например, образование электронно-позитронных пар в результате взаимодействия рентгеновских лучей с ядрами атомов. Под воздействием первичных фотоэлектронов с большой кинетической энергией, а также первичной рентгеновской флюоресценции, возможно возникновение вторичного, третичного и т.д. характеристического излучения и соответствующих фотоэлектронов, но уже с меньшими энергиями. Наконец, часть фотоэлектронов (а частично и электронов отдачи) может преодолевать потенциальный барьер у поверхности вещества и вылетать за его пределы, т.е. может иметь место внешний фотоэффект.

Все отмеченные явления, однако, значительно меньше влияют на величину коэффициента ослабления рентгеновских лучей. Для рентгеновских лучей с длинами волн от десятых долей до единиц ангстрем, используемых обычно в структурном анализе, всеми этими побочными явлениями можно пренебречь и считать, что ослабление первичного рентгеновского пучка происходит с одной стороны за счет рассеяния и с другой – в результате процессов поглощения. Тогда коэффициент ослабления можно представить в виде суммы двух коэффициентов.

m/r = s/r + t/r , (2.17)

где s/r - массовый коэффициент рассеяния, учитывающий потери энергии за счет когерентного и некогерентного рассеяния; t/r - массовый коэффициент поглощения, учитывающий главным образом потери энергии за счет фотоэлектрического поглощения и возбуждения характеристических лучей.

Вклад поглощения и рассеяния в ослабление рентгеновского пучка неравнозначен. Для рентгеновских лучей, используемых в структурном анализе, некогерентным рассеянием можно пренебречь. Если учесть при этом, что величина когерентного рассеяния также невелика и примерно постоянна для всех элементов, то можно считать, что

m/r » t/r , (2.18)

т.е. что ослабление рентгеновского пучка определяется в основном поглощением. В связи с этим для массового коэффициента ослабления будут справедливы закономерности, рассмотренные нами выше для массового коэффициента поглощения при фотоэффекте.

Выбор излучения . Характер зависимости коэффициента поглощения (ослабления) от длины волны определяет в известной мере выбор излучения при структурных исследованиях. Сильное поглощение в кристалле значительно уменьшает интенсивность дифракционных пятен на рентгенограмме. Кроме того, возникающая при сильном поглощении флюоресценция засвечивает пленку. Поэтому работать при длинах волн, несколько меньших границы поглощения исследуемого вещества, невыгодно. Это можно легко понять из схемы рис. 2.6.

1. Если излучать будет анод, состоящий из тех же атомов, как и исследуемое вещество, то мы получим, что граница поглощения, например

Рис.2.6. Изменение интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через вещество.

K-край поглощения кристалла (рис.2.6, кривая 1), будет несколько сдвинут относительно его характеристического излучения в коротковолновую область спектра. Этот сдвиг - порядка 0,01 - 0,02 Å относительно линий края линейчатого спектра. Он всегда имеет место в спектральном положении излучения и поглощения одного и того же элемента. Поскольку скачок поглощения соответствует энергии, которую надо затратить, чтобы удалить электрон с уровня за пределы атома, самая жесткая линия K-серии соответствует переходу на K-уровень с наиболее далекого уровня атома. Понятно, что энергия E, необходимая для вырывания электрона за пределы атома, всегда несколько больше той, которая освобождается при переходе электрона с наиболее удаленного уровня на тот же K-уровень. Из рис. 2.6 (кривая 1) следует, что, если анод и исследуемый кристалл - одно вещество, то наиболее интенсивное характеристическое излучение, особенно линии K a и K b , лежит в области слабого поглощения кристалла по отношению к границе поглощения. Поэтому поглощение такого излучения кристаллом мало, а флюоресценция слаба.

2. Если мы возьмем анод, атомный номер которого Z на 1 больше исследуемого кристалла, то излучение этого анода, согласно закону Мозли, несколько сместится в коротковолновую область и расположится относительно границы поглощения того же исследуемого вещества так, как это показано на рис. 2.6, кривая 2. Здесь поглощается K b - линия, за счет чего появляется флюоресценция, которая может мешать при съемке.

3. Если разница в атомных номерах составляет 2-3 единицы Z , то спектр излучения такого анода еще дальше сместится в коротковолновую область (рис. 2.6, кривая 3). Этот случай еще более невыгоден, так как, во-первых, рентгеновские излучения сильно ослаблено и, во-вторых, сильная флюоресценция засвечивает пленку при съемке.

Наиболее подходящим, таким образом, является анод, характеристическое излучение которого лежит в области слабого поглощения исследуемым образцом.

Фильтры . Рассмотренный нами эффект селективного поглощения широко используется для ослабления коротковолновой части спектра. Для этого на пути лучей ставится фольга толщиной несколько сотых мм. Фольга изготовлена из вещества, у которого порядковый номер на 1-2 единицы меньше, чем Z анода. В этом случае согласнорис.2.6 (кривая 2) край полосы поглощения фольги лежит между K a - и K b - линиями излучения и K b - линия, а также сплошной спектр, окажутся сильно ослабленными. Ослабление K b по сравнению с K a - излучением порядка 600. Таким образом, мы отфильтровали b-излучение от a-излучения, которое почти не изменяется по интенсивности. Фильтром может служить фольга, изготовленная из материала, порядковый номер которого на 1-2 единицы меньше Z анода. Например, при работе на молибденовом излучении (Z = 42), фильтром могут служить цирконий (Z = 40) и ниобий (Z = 41). В ряду Mn (Z = 25), Fe (Z = 26), Co (Z = 27) каждый из предшествующих элементов может служить фильтром для последующего.

Понятно, что фильтр должен быть расположен вне камеры, в которой производится съемка кристалла, чтобы не было засветки пленки лучами флюоресценции.

Похожая информация.

Содержание статьи

ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ. При исследовании взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (твердым, жидким или газообразным) регистрируется интенсивность прошедшего или дифрагированного излучения. Эта интенсивность интегральна и связана с различными процессами взаимодействия. Чтобы отделить друг от друга эти процессы, используют их зависимости от условий эксперимента и физических характеристик исследуемого объекта.

Эффект рассеяния рентгеновских лучей связан с тем, что силы переменного электромагнитного поля, создаваемого пучком рентгеновских лучей, приводят в колебательное движение электроны в исследуемом материале. Колеблющиеся электроны испускают рентгеновские лучи той же длины волны, что и первичные, при этом отношение мощности лучей, рассеянных 1 г вещества, к интенсивности падающего излучения приближенно составляет 0,2. Этот коэффициент несколько увеличивается для рентгеновских лучей с большой длиной волны (мягкое излучение) и уменьшается для лучей с малой длиной волны (жесткое излучение). При этом сильнее всего рассеиваются лучи в направлении падающего пучка рентгеновских лучей (и в обратном направлении) и слабее всего (в 2 раза) в направлении, перпендикулярном первичному.

Фотоэффект возникает, когда поглощение падающего рентгеновского излучения сопровождается выбросом электронов. После выброса внутреннего электрона происходит возврат к стационарному состоянию. Этот процесс может происходить либо без излучения с выбросом второго электрона (эффект Оже), либо сопровождаться характеристическим рентгеновским излучением атомов материала (см . РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ). По своей природе это явление аналогично флюоресценции. Рентгеновская флюоресценция может происходить только при воздействии характеристического рентгеновского излучения какого-либо элемента на преграду из более легкого элемента (с меньшим атомным номером).

Суммарное поглощение рентгеновских лучей определяется суммированием всеми видами взаимодействия, ослабляющими интенсивность рентгеновского излучения. Для оценки ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через вещество используют линейный коэффициент ослабления, характеризующий уменьшение интенсивности излучения при прохождении через 1 см вещества и равный натуральному логарифму отношения интенсивностей падающего и прошедшего излучения. Кроме того, как характеристику способности вещества поглощать падающее излучение используют толщину слоя половинного поглощения, т.е. толщина слоя, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое.

Физические механизмы рассеяния рентгеновского излучения и возникновения вторичного характеристического излучения различны, но во всех случаях зависят от количества атомов вещества, взаимодействующих с рентгеновским излучением, т.е. от плотности вещества, поэтому универсальной характеристикой поглощения является массовый коэффициент поглощения – истинный коэффициент поглощения, отнесенный к плотности вещества.

Коэффициент поглощения в одном и том же веществе падает с уменьшением длины волны рентгеновского излучения, однако при некоторой длине волны происходит резкое увеличение (скачок) коэффициента поглощения, после чего продолжается его уменьшение (рис.). При скачке коэффициент поглощения увеличивается в несколько раз (иногда на порядок) и на разную величину для различных веществ. Возникновение скачка поглощения связано с тем, что при определенной длине волны возбуждается характеристическое рентгеновское излучение облучаемого вещества, что резко увеличивает потери энергии при прохождении излучения. В пределах каждого участка кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны (до и после скачка поглощения) массовый коэффициент поглощения меняется пропорционально кубу длины волны рентгеновского излучения и атомного номера химического элемента (материала преграды).

Когда через вещество проходит немонохроматическое рентгеновское излучение, например, излучение со сплошным спектром, возникает спектр коэффициентов поглощения, при этом коротковолновое излучение поглощается слабее длинноволнового и по мере увеличения толщины преграды результирующий коэффициент поглощения приближается к величине, характерной для коротковолнового излучения. Если вещество состоит из нескольких химических элементов, то суммарный коэффициент поглощения зависит от атомного номера каждого элемента и количества этого элемента в веществе.

Расчеты поглощения рентгеновского излучения в веществе имеют большое значение для рентгенодефектоскопии. При наличии дефекта (например, поры или раковины) в металлической пластине интенсивность прошедшего излучения увеличивается, а при включении из более тяжелого элемента – уменьшается. Зная величину коэффициента поглощения, можно рассчитать геометрические размеры внутреннего дефекта.

Рентгеновские фильтры.

При исследовании материалов с помощью рентгеновского излучения интерпретация результатов усложняется из-за наличия нескольких длин волн. Для выделения отдельных длин волн применяют рентгеновские фильтры, изготовленные из веществ с различным коэффициентом поглощения для различных длин волн, при этом используется тот факт, что рост длины волны излучения сопровождается увеличением коэффициента поглощения. Например, для алюминия коэффициент поглощения рентгеновского излучения К-серии от железного анода (l = 1,932 А), больше, чем для излучения К-серии от молибденового анода (l = 0,708 А) и при толщине алюминиевого фильтра 0,1 мм ослабление излучения от железного анода в 10 раз больше, чем для излучения молибдена.

Наличие скачка поглощения на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны дает возможность получить селективно- поглощающие фильтры, если длина волны фильтруемого излучения, лежит непосредственно за скачком поглощения. Этот эффект используется для того, чтобы отфильтровать b -составляющую К-серии излучения, которая по интенсивности в 5 раз слабее a -составляющей. Если подобрать соответствующий материал фильтра так, чтобы a и b -составляющие были по разные стороны скачка поглощения, то интенсивность b -составляющей уменьшается еще в несколько раз. Примером может служить задача о фильтрации b -излучения меди, в которой длина волны a -излучения К-серии составляет 1,539, а b -излучения 1,389 А. В то же время на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны скачок поглощения соответствует длине волны 1,480 А, т.е. находится между длинами волн a и b -излучений меди, в районе скачка поглощения коэффициент поглощения увеличивается в 8 раз, поэтому интенсивность b -излучения оказывается меньше интенсивности a -излучения в десятки раз.

При взаимодействии рентгеновского излучения с твердым телом могут возникать радиационные повреждения структуры, связанные с перемещением атомов. В ионных кристаллах возникают центры окраски, аналогичные явления наблюдаются в стеклах, в полимерах меняются механические свойства. Эти эффекты связаны с выбиванием атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. В результате образуются вакансии – отсутствие атомов в равновесных положениях в кристаллической решетке и внедренные атомы, находящиеся в равновесном положении в решетке. Эффект окрашивания кристаллов и стекла под действием рентгеновского излучения является обратимым и в большинстве случаев исчезает при нагреве или длительной выдержке. Изменение механических свойств полимеров при рентгеновском облучении связано с разрывом межатомных связей.

Основным направлением изучения взаимодействия рентгеновского излучения с твердым телом является рентгеноструктурный анализ, с помощью которого исследуют расположение атомов в твердом теле и его изменения при внешних воздействиях.

Некоторые эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Как было упомянуто выше, рентгеновские лучи способны возбуждать атомы и молекулы вещества. Это может вызывать флюоресценцию определенных веществ (например, сульфата цинка). Если параллельный пучок рентгеновских лучей направить на непрозрачные объекты, то можно наблюдать как лучи пройдут сквозь объект, поставив экран, покрытый флюоресцирующим веществом.

Флуоресцентный экран можно заменить фотографической пленкой. Рентгеновские лучи оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и свет. Оба метода используются в практической медицине.

Другим важным эффектом рентгеновского излучения является их ионизирующая способность. Это зависит от их длины волны и энергии. Этот эффект обеспечивает метод для измерения интенсивности рентгеновского излучения. Когда рентгеновские лучи проходят через ионизационную камеру, возникает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.

При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния. Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера: , где I 0 - начальная интенсивность рентгеновского излучения; I - интенсивность рентгеновских лучей, прошедших через слой вещества, d – толщина поглощающего слоя, - линейный коэффициент ослабления. Он равен сумме двух величин: t - линейного коэффициента поглощения и s - линейного коэффициента рассеяния: m = t +s

В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от атомного номера вещества и длины волны рентгеновских лучей:

Где - коэффициент прямой пропорциональности, - плотность вещества, Z – атомный номер элемента, - длина волны рентгеновских лучей.

Зависимость от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z =20 для кальция и Z =15 для фосфора). При прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц, соединительной ткани и т.п.

Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество - сернокислый барий (Z= 56 для бария). Сернокислый барий очень непрозрачен для рентгеновских лучей и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п. Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53.

Зависимость поглощения рентгеновских лучей от Z используют также для защиты от возможного вредного действия рентгеновского излучения. Для этой цели применяют свинец, величина Z для которого равна 82.

В предыдущем разделе мы остановились на фотоэлектронном поглощении. Это один из трех процессов, приводящих к ослаблению пучка высокоэнергетичных фотонов, проникающих в твердое тело: рождение фотоэлектронов, комптоновское рассеяние и рождение пар. При эффекте Комптона рентгеновское излучение рассеивается электронами поглощающего материала. Это приводит к существованию помимо первоначального излучения с длиной волны X компоненты с увеличенной длиной волны (меньшей энергией). Эта задача обычно решается как столкновение фотона с импульсом с покоящимся электроном с энергией покоя . После рассеяния на угол в длина волны фотона сдвинется в сторону больших длин волн на величину , где принято называть комптоновской длиной волны электрона.

Если энергия фотона превышает , фотон может поглотиться с образованием электрон-позитронной пары. Этот процесс называется рождением пары. Каждый из этих трех процессов, фотоэлектронное рассеяние, комптоновское рассеяние и образование пар, преобладает в определенной области энергий фотонов, как показано на рис. 8.3. В случае рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучений главный вклад в поглощение излучения в веществе дает фотоэлектронный эффект. Атомным процессам в материаловедении соответствует именно этот энергетический интервал.

Интенсивность I рентгеновского излучения, прошедшего через тонкую пленку вещества, подчиняется экспоненциальному закону убывания от начального значения :

где р - плотность твердого тела (в г/см3), - линейный коэффициент поглощения, - массовый коэффициент поглощения, измеряемый в .

Рис. 8.3. Относительный вклад трех важнейших типов взаимодействия в поглощение фотонов. Линиями показаны величины Z и , для которых соседние эффекты равны. I - преобладание фотоэффекта; II - преобладание комптоновского рассеяния; III - преобладание рождения пар.

Рис. 8.4. Зависимость массового коэффициента поглощения от .

Зависимость массового коэффициента поглощения в от длины волны рентгеновского излучения показана на рис. 8.4. Сильная зависимость коэффициента поглощения следует из энергетической зависимости для сечения фотоэффекта. Вблизи -края поглощения фотоны выбивают электроны из -оболочки. Для длин волн, больших, чем -край, преобладает поглощение за счет фотоэлектронного процесса на -оболочках; при более коротких длинах волн, когда преобладает фотоэлектронное поглощение на -оболочках.

Как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (обсуждаемая в гл. 9), так и рентгеновское поглощение определяются фотоэлектрическим эффектом. Экспериментальные схемы этих методик приведены на рис. 8.5 (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия проиллюстрирована на левой половине рисунка, рентгеновское поглощение - на правой). В рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии связанный электрон, например -оболочки, показанный на рис. 8.5, переводится в свободное состояние. Поскольку кинетическая энергия фотоэлектрона является вполне определенной, в спектре фотоэлектронов возникают острые фотопики. Когда связанный электрон переводится на первый незанятый уровень, переход на который разрешен правилами отбора, в спектрах рентгеновского поглощения наблюдаются полосы поглощения. В металлических образцах такой незанятый уровень расположен на уровне Ферми или непосредственно над ним. При измерениях рентгеновского поглощения исследуется зависимость поглощения, тогда как в случае рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии образец облучают фотонами постоянной энергии, измеряя кинетическую энергию электронов.

Массовый коэффициент поглощения для электронов на заданных оболочках или подоболочках может быть рассчитан через поперечное сечение а фотоэффекта:

(см. скан)

Рис. 8.5. Сопоставление рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (I) и рентгеновского поглощения (II) . I - рентгеновская трубка; 2 - образец; 3 - детектор.

где р - плотность; N - концентрация атомов; - число электронов в оболочке. Например, для излучения , падающего на никель, в котором энергия связи -оболочки равна 8,33 кэВ, величина сечения фотоэффекта на один -электрон равна

Плотность атомов в равна при удельной плотности . Массовый коэффициент поглощения на -оболочке равен

В этих расчетах вклад -оболочек не учитывался. При энергиях фотонов, превышающих энергию связи К-оболочки, сечение фотоэффекта для -оболочек имеет величину по крайней мере на порядок меньшую, чем для -оболочки; это является основной причиной резкого возрастания поглощения при переходе К-края поглощения. Из-за сильной зависимости сечения фотоэффекта от энергии связи в рассматриваемом здесь случае линии оно на множитель меньше для электронов -оболочки, чем для -оболочки, если предположить, что средняя энергия связи и -оболочек равна

Рассчитанная величина превышает измеренную 47,24 (приложение ). Слабым местом расчетов массового коэффициента поглощения, выполненных выше, являлось то, что энергия Е излучения всего в 2 раза превышает энергию связи -оболочки тогда как при выводе выражения (8.37) предполагалось . В случае излучения энергия фотона примерно в 10 раз превышает энергию связи -оболочки, и рассчитанное сечение фотоэффекта приводит к величине поглощения близкой к табличному значению .

Измеренные величины массового коэффициента поглощения для излучения различных материалов даны в приложении и показаны на рис. 8.6 для . Коэффициент поглощения для заданного элемента может меняться на 2 порядка по величине в зависимости от длины волны падающего излучения. Сильная зависимость коэффициента поглощения от энергии фотона показана на рис. 8.6, б.