Rentgenstaru izkliede. Rentgenstaru absorbcija un izkliede

Rentgena starojums attiecas uz elektromagnētiskajiem viļņiem, kuru garums ir aptuveni no 80 līdz 10 -5 nm. Garāko viļņu rentgena starojums pārklājas ar īsviļņu ultravioleto starojumu, un īsviļņu rentgena starojums pārklājas ar garo viļņu γ starojumu. Pamatojoties uz ierosināšanas metodi, rentgenstaru starojumu iedala bremsstrahlung un raksturīgā.

31.1. X-STARU TUBE IERĪCE. Bremsstrahlung rentgens

Visbiežākais rentgena starojuma avots ir rentgena caurule, kas ir divu elektrodu vakuuma iekārta (31.1. att.). Apsildāms katods 1 izstaro elektronus 4. 2. anodam, ko bieži sauc par antikatodu, ir slīpa virsma, lai novirzītu iegūto rentgena starojumu 3 leņķī pret caurules asi. Anods ir izgatavots no ļoti siltumvadoša materiāla, lai noņemtu siltumu, ko rada elektronu triecieni. Anoda virsma ir izgatavota no ugunsizturīgiem materiāliem, kuriem periodiskajā tabulā ir liels atomskaitlis, piemēram, volframa. Dažos gadījumos anodu īpaši atdzesē ar ūdeni vai eļļu.

Diagnostikas caurulēm svarīga ir rentgenstaru avota precizitāte, ko var panākt, fokusējot elektronus vienā antikatoda vietā. Tāpēc konstruktīvi ir jāņem vērā divi pretrunīgi uzdevumi: no vienas puses, elektroniem jākrīt uz vienas anoda vietas, no otras puses, lai novērstu pārkaršanu, vēlams elektronus sadalīt pa dažādām anoda zonām. anods. Viens interesants tehniskais risinājums ir rentgena caurule ar rotējošu anodu (31.2. att.).

Elektrona (vai citas uzlādētas daļiņas) bremzēšanas rezultātā ar vielas atoma kodola un atomu elektronu elektrostatisko lauku, rodas antikatods. Bremsstrahlung rentgena starojums.

Tās mehānismu var izskaidrot šādi. Ar kustīgu elektrisko lādiņu ir saistīts magnētiskais lauks, kura indukcija ir atkarīga no elektrona ātruma. Bremzējot, magnētiskais lauks samazinās

indukcija un saskaņā ar Maksvela teoriju parādās elektromagnētiskais vilnis.

Kad elektroni tiek palēnināti, tikai daļa enerģijas tiek izmantota rentgena fotona radīšanai, otra daļa tiek tērēta anoda sildīšanai. Tā kā attiecības starp šīm daļām ir nejaušas, tad, palēninot lielu skaitu elektronu, veidojas nepārtraukts rentgena starojuma spektrs. Šajā sakarā bremsstrahlung sauc arī par nepārtrauktu starojumu. Attēlā 31.3. attēlā parādīta rentgenstaru plūsmas atkarība no viļņa garuma λ (spektri) pie dažādiem spriegumiem rentgenstaru caurulē: U 1< U 2 < U 3 .

Katrā spektrā īsākā viļņa garuma bremsstrahlung ir λ ηίη rodas, kad elektrona iegūtā enerģija paātrinājuma laukā tiek pilnībā pārvērsta fotona enerģijā:

Ņemiet vērā, ka, pamatojoties uz (31.2), ir izstrādāta viena no precīzākajām metodēm Planka konstantes eksperimentālai noteikšanai.

Īso viļņu rentgenstari parasti ir caurlaidīgāki nekā garo viļņu rentgena stari, un tos sauc grūts, un garais vilnis - mīksts.

Palielinot spriegumu uz rentgenstaru lampas, mainās starojuma spektrālais sastāvs, kā redzams attēlā. 31.3 un formulas (31.3), un palielināt stingrību.

Ja paaugstināsiet katoda kvēldiega temperatūru, palielināsies elektronu emisija un strāva caurulē. Tas palielinās katru sekundi emitēto rentgena fotonu skaitu. Tā spektrālais sastāvs nemainīsies. Attēlā Attēlā 31.4. parādīti rentgenstaru starojuma spektri pie tāda paša sprieguma, bet pie dažādām katoda sildīšanas strāvām: / n1< / н2 .

Rentgenstaru plūsmu aprēķina pēc formulas:

Kur U Un es - spriegums un strāva rentgena caurulē; Z- anoda vielas atoma kārtas numurs; k- proporcionalitātes koeficients. Spektri iegūti no dažādiem antikatodiem vienlaikus U un I H ir parādīti attēlā. 31.5.

31.2. RAKSTUROŠAIS RENTGENA STAROJUMS. ATOMA RENTGENA SPEKTRI

Palielinot spriegumu rentgena lampā, uz nepārtraukta spektra fona var pamanīt līniju spektra parādīšanos, kas atbilst

raksturīgs rentgena starojums(31.6. att.). Tas rodas tāpēc, ka paātrinātie elektroni dziļi iekļūst atomā un izsit elektronus no iekšējiem slāņiem. Elektroni no augšējiem līmeņiem pārvietojas uz brīvām vietām (31.7. att.), kā rezultātā tiek emitēti raksturīgā starojuma fotoni. Kā redzams attēlā, raksturīgais rentgenstaru starojums sastāv no sērijām K, L, M utt., kuru nosaukums kalpoja elektronisko slāņu apzīmēšanai. Tā kā K sērijas emisija atbrīvo vietas augstākos slāņos, vienlaikus tiek emitētas arī citu sēriju līnijas.

Atšķirībā no optiskajiem spektriem dažādu atomu raksturīgie rentgenstaru spektri ir viena veida. Attēlā 31.8. attēlā parādīti dažādu elementu spektri. Šo spektru viendabīgums ir saistīts ar faktu, ka dažādu atomu iekšējie slāņi ir identiski un atšķiras tikai enerģētiski, jo spēka darbība no kodola palielinās, palielinoties elementa atomu skaitam. Šis apstāklis ​​noved pie tā, ka raksturīgie spektri novirzās uz augstākām frekvencēm, palielinoties kodollādiņam. Šis modelis ir redzams attēlā. 31.8 un ir pazīstams kā Mozeleja likums:

Kur v- spektrālās līnijas frekvence; Z- izstarojošā elementa atomu numurs; A Un IN- pastāvīgs.

Ir vēl viena atšķirība starp optisko un rentgenstaru spektru.

Atomam raksturīgais rentgenstaru spektrs nav atkarīgs no ķīmiskā savienojuma, kurā šis atoms ir iekļauts. Piemēram, skābekļa atoma rentgenstaru spektrs ir vienāds O, O 2 un H 2 O, savukārt šo savienojumu optiskie spektri būtiski atšķiras. Šī atoma rentgenstaru spektra iezīme kalpoja par pamatu nosaukumam raksturīgs.

Raksturīgs starojums vienmēr rodas, ja atoma iekšējos slāņos ir brīva vieta, neatkarīgi no iemesla, kas to izraisīja. Piemēram, raksturīgs starojums pavada vienu no radioaktīvās sabrukšanas veidiem (sk. 32.1), kas sastāv no elektrona uztveršanas no iekšējā slāņa ar kodolu.

31.3. Rentgenstaru MIJIEDARBĪBA AR MATERIĀLU

Rentgena starojuma reģistrāciju un izmantošanu, kā arī ietekmi uz bioloģiskiem objektiem nosaka rentgena fotona primārie mijiedarbības procesi ar vielas atomu un molekulu elektroniem.

Atkarībā no enerģijas attiecības hv fotonu un jonizācijas enerģijas 1 A un notiek trīs galvenie procesi.

Sakarīga (klasiskā) izkliede

Garo viļņu rentgenstaru izkliede notiek būtībā, nemainot viļņa garumu, un to sauc saskaņota. Tas notiek, ja fotona enerģija ir mazāka par jonizācijas enerģiju: hv< A un.

Tā kā šajā gadījumā rentgena fotona un atoma enerģija nemainās, koherenta izkliede pati par sevi neizraisa bioloģisku efektu. Tomēr, veidojot aizsardzību pret rentgena starojumu, jāņem vērā iespēja mainīt primārā stara virzienu. Šāda veida mijiedarbība ir svarīga rentgenstaru difrakcijas analīzei (sk. 24.7.).

Nesakarīga izkliede (Compton efekts)

1922. gadā A.Kh. Komptons, novērojot cieto rentgenstaru izkliedi, atklāja izkliedētā staru kūļa iespiešanās spējas samazināšanos salīdzinājumā ar krītošo. Tas nozīmēja, ka izkliedēto rentgenstaru viļņa garums bija garāks nekā krītošie rentgena stari. Rentgenstaru izkliedi ar viļņa garuma izmaiņām sauc nesakarīgi nom, un pati parādība - Komptona efekts. Tas notiek, ja rentgena fotona enerģija ir lielāka par jonizācijas enerģiju: hv > A un.

Šī parādība ir saistīta ar faktu, ka, mijiedarbojoties ar atomu, enerģija hv fotons tiek tērēts jauna izkliedēta rentgena fotona veidošanai ar enerģiju hv", lai noņemtu elektronu no atoma (jonizācijas enerģija A un) un piešķirtu elektronam kinētisko enerģiju E uz:

hv= hv" + A un + E k.(31.6)

1 Šeit jonizācijas enerģija attiecas uz enerģiju, kas nepieciešama iekšējo elektronu noņemšanai no atoma vai molekulas.

Tā kā daudzos gadījumos hv>> Un un Compton efekts rodas uz brīvajiem elektroniem, tad mēs varam rakstīt aptuveni:

hv = hv"+ E K .(31.7)

Zīmīgi, ka šajā parādībā (31.9. att.) kopā ar sekundāro rentgena starojumu (enerģija hv"fotons) parādās atsitiena elektroni (kinētiskā enerģija E k elektrons). Pēc tam atomi vai molekulas kļūst par joniem.

Foto efekts

Fotoelektriskajā efektā rentgenstarus absorbē atoms, izraisot elektrona izmešanu un atoma jonizāciju (fotojonizāciju).

Trīs galvenie mijiedarbības procesi, kas tika apspriesti iepriekš, ir primāri, tie noved pie sekojošiem sekundāriem, terciāriem utt. parādības. Piemēram, jonizēti atomi var izstarot raksturīgu spektru, ierosinātie atomi var kļūt par redzamās gaismas avotiem (rentgena luminiscence) utt.

Attēlā 31.10 parādīta diagramma par iespējamiem procesiem, kas notiek, rentgena starojumam nonākot vielā. Var notikt vairāki desmiti attēlotajam līdzīgu procesu, pirms rentgena fotona enerģija tiek pārvērsta molekulārās termiskās kustības enerģijā. Tā rezultātā notiks izmaiņas vielas molekulārajā sastāvā.

Procesi, kas attēloti diagrammā attēlā. 31.10, veido pamatu parādībām, kas novērotas, rentgenstariem iedarbojoties uz vielu. Uzskaitīsim dažus no tiem.

Rentgena luminiscence- vairāku vielu mirdzums rentgena starojumā. Šis platīna sinoksīda bārija mirdzums ļāva Rentgenam atklāt starus. Šo parādību izmanto, lai izveidotu īpašus gaismas ekrānus rentgena starojuma vizuālai novērošanai, dažreiz lai uzlabotu rentgenstaru ietekmi uz fotoplati.

Rentgena starojuma ķīmiskā iedarbība ir zināma, piemēram, ūdeņraža peroksīda veidošanās ūdenī. Praktiski svarīgs piemērs ir efekts uz fotoplates, kas ļauj fiksēt šādus starus.

Jonizējošais efekts izpaužas kā elektriskās vadītspējas palielināšanās rentgena staru ietekmē. Šis īpašums tiek izmantots

dozimetrijā, lai kvantitatīvi noteiktu šāda veida starojuma ietekmi.

Daudzu procesu rezultātā rentgena starojuma primārais stars tiek novājināts atbilstoši likumam (29.3). Ierakstīsim to formā:

I = I 0 e-/", (31.8)

Kur μ - lineārais vājinājuma koeficients. To var attēlot kā tādu, kas sastāv no trim terminiem, kas atbilst koherentajai izkliedei μ κ, nesakarīgajai μ ΗK un fotoelektriskajam efektam μ f:

μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)

Rentgena starojuma intensitāte tiek novājināta proporcionāli vielas atomu skaitam, caur kuru šī plūsma iet. Ja jūs saspiežat vielu gar asi X, piemēram, iekšā b reizes, palielinoties par b kopš tā blīvuma, tad

31.4. RENTGENSTARU PIELIETOŠANAS FIZISKIE PAMATI MEDICĪNĀ

Viens no svarīgākajiem rentgenstaru izmantošanas veidiem medicīnā ir iekšējo orgānu apgaismojums diagnostikas nolūkos. (rentgena diagnostika).

Diagnostikai izmanto fotonus ar aptuveni 60-120 keV enerģiju. Pie šīs enerģijas masas vājinājuma koeficientu galvenokārt nosaka fotoelektriskais efekts. Tās vērtība ir apgriezti proporcionāla fotona enerģijas trešajai pakāpei (proporcionāla λ 3), kas parāda lielāku cietā starojuma caurlaidības spēju, un proporcionāla absorbējošās vielas atomu skaita trešajai pakāpei:

Būtiskā atšķirība rentgena starojuma absorbcijā dažādos audos ļauj redzēt cilvēka ķermeņa iekšējo orgānu attēlus ēnu projekcijā.

Rentgena diagnostiku izmanto divās versijās: fluoroskopija - attēls tiek skatīts rentgena luminiscējošā ekrānā, radiogrāfija - attēls tiek ierakstīts fotofilmā.

Ja izmeklējamais orgāns un apkārtējie audi aptuveni vienādi vājina rentgenstaru, tad tiek izmantotas īpašas kontrastvielas. Piemēram, piepildot kuņģi un zarnas ar putrai līdzīgu bārija sulfāta masu, var redzēt to ēnu attēlu.

Attēla spilgtums uz ekrāna un ekspozīcijas laiks uz filmas ir atkarīgs no rentgena starojuma intensitātes. Ja to izmanto diagnostikai, tad intensitāte nevar būt augsta, lai neradītu nevēlamas bioloģiskas sekas. Tāpēc ir vairākas tehniskas ierīces, kas uzlabo attēlus pie zemas rentgena intensitātes. Šādas ierīces piemērs ir elektrooptiskie pārveidotāji (sk. 27.8.). Iedzīvotāju masveida izmeklēšanā plaši tiek izmantots radiogrāfijas variants - fluorogrāfija, kurā uz jutīgas maza formāta plēves tiek ierakstīts attēls no liela rentgena luminiscējoša ekrāna. Fotografējot tiek izmantots objektīvs ar lielu diafragmas atvērumu, un gatavie attēli tiek pārbaudīti, izmantojot īpašu palielinātāju.

Interesanta un daudzsološa radiogrāfijas iespēja ir metode, ko sauc rentgena tomogrāfija, un tā "mašīnas versija" - Datortomogrāfija.

Apskatīsim šo jautājumu.

Tipisks rentgena starojums aptver lielu ķermeņa laukumu, dažādi orgāni un audi aizsedz viens otru. No tā var izvairīties, periodiski pārvietojot rentgena cauruli kopā (31.11. att.) pretfāzē. RT un fotofilmas FP attiecībā pret objektu Par pētījumiem. Korpusā ir vairāki ieslēgumi, kas ir necaurredzami rentgena stariem; attēlā tie ir parādīti kā apļi. Kā redzams, rentgenstari jebkurā rentgena caurules pozīcijā (1, 2 utt.) iet cauri

nogriežot vienu un to pašu objekta punktu, kas ir centrs, attiecībā pret kuru notiek periodiska kustība RT Un Fp.Šis punkts vai drīzāk neliels necaurspīdīgs ieslēgums ir parādīts ar tumšu apli. Viņa ēnu attēls kustas līdzi FP, ieņem 1. secīgus amatus, 2 utt. Atlikušie ieslēgumi ķermenī (kauli, blīvējumi utt.) tiek izveidoti uz FP kāds vispārējs fons, jo rentgena starus tie nepārtraukti neaizsedz. Mainot šūpoles centra pozīciju, var iegūt ķermeņa rentgena attēlu slāni pa slāņiem. Tāpēc nosaukums - tomogrāfija(slāņu ieraksts).

Ir iespējams, izmantojot plānu rentgena staru kūli, ekrānu (nevis Fp), kas sastāv no jonizējošā starojuma pusvadītāju detektoriem (sk. 32.5.) un datora, apstrādā ēnu rentgena attēlu tomogrāfijas laikā. Šī modernā tomogrāfijas versija (skaitļošanas vai datorizētā rentgena tomogrāfija) ļauj iegūt ķermeņa slāņus pa slāņiem katodstaru lampas ekrānā vai uz papīra ar detaļām, kas mazākas par 2 mm ar atšķirību rentgenstaru absorbcijā. līdz 0,1%. Tas ļauj, piemēram, atšķirt smadzeņu pelēko un balto vielu un redzēt ļoti mazus audzēju veidojumus.

EX = EX0 cos(wt – k0 z + j0) EY = EY0 cos(wt – k0 z + j0)

BX = BX0 cos(wt – k0 z + j0) BY = BY0 cos(wt – k0 z + j0)

kur t ir laiks, w ir elektromagnētiskā starojuma frekvence, k0 ir viļņa skaitlis, j0 ir sākuma fāze. Viļņa skaitlis ir viļņa vektora modulis un ir apgriezti proporcionāls viļņa garumam k0 = 2π/l. Sākotnējās fāzes skaitliskā vērtība ir atkarīga no sākuma laika izvēles t0=0. Lielumi EX0, EY0, BX0, BY0 ir viļņa elektrisko un magnētisko lauku atbilstošo komponentu (3.16) amplitūdas.

Tādējādi visas plaknes elektromagnētiskā viļņa sastāvdaļas (3.16) apraksta ar formas elementārām harmoniskām funkcijām:

Y = A0 cos(wt – kz+ j0) (3,17)

Apskatīsim plaknes monohromatiskā rentgena viļņa izkliedi uz pētāmā parauga atomu kopu (uz molekulas, ierobežotu izmēru kristāla utt.). Elektromagnētiskā viļņa mijiedarbība ar atomu elektroniem izraisa sekundāru (izkliedētu) elektromagnētisko viļņu veidošanos. Saskaņā ar klasisko elektrodinamiku, izkliede no atsevišķa elektrona notiek 4p cietā leņķī, un tai ir ievērojama anizotropija. Ja primārais rentgena starojums nav polarizēts, tad viļņa izkliedētā starojuma plūsmas blīvumu apraksta ar šādu funkciju

(3.18)

kur I0 ir primārā starojuma plūsmas blīvums, R ir attālums no izkliedes punkta līdz izkliedētā starojuma reģistrācijas vietai, q ir polārais izkliedes leņķis, ko mēra no plaknes primārā viļņa viļņa vektora virziena k0 ( sk. 3.6. att.). Parametrs

» 2,818 × 10-6 nm (3,19)

vēsturiski saukts par klasisko elektronu rādiusu.

Att.3.6. Plaknes primārā viļņa polārās izkliedes leņķis q uz maza pētāmā Cr parauga.

Noteikts leņķis q nosaka konisku virsmu telpā. Korelētā elektronu kustība atomā sarežģī izkliedētā starojuma anizotropiju. Atomu izkliedētā rentgena viļņa amplitūdu izsaka, izmantojot viļņa garuma un polārā leņķa f(q, l) funkciju, ko sauc par atoma amplitūdu.

Tādējādi atoma izkliedētā rentgena viļņa intensitātes leņķiskais sadalījums tiek izteikts ar formulu

(3. 20)

un tai ir aksiālā simetrija attiecībā pret primārā viļņa viļņa vektora virzienu k0. Atomu amplitūdas kvadrātu f 2 parasti sauc par atomu faktoru.

Parasti rentgenstaru difrakcijas un rentgenstaru spektrālo pētījumu eksperimentālajās iekārtās izkliedēto rentgenstaru detektors atrodas attālumā R, kas ir ievērojami lielāks par izkliedētā parauga izmēriem. Šādos gadījumos detektora ievades logs no izkliedētā viļņa pastāvīgās fāzes virsmas izgriež elementu, kuru ar augstu precizitāti var pieņemt par plakanu.

3.8.att. Rentgenstaru izkliedes ģeometriskā diagramma uz 1. parauga atomiem Fraunhofera difrakcijas apstākļos.

2 – rentgenstaru detektors, k0 – primārā rentgena viļņa viļņu vektors, punktētās bultiņas attēlo primāro rentgenstaru plūsmas, svītrotās – izkliedēto rentgenstaru plūsmas. Apļi norāda pētāmā parauga atomus.

Turklāt attālumi starp apstarotā parauga blakus esošajiem atomiem ir par vairākām kārtām mazāki nekā detektora ieejas loga diametrs.

Līdz ar to šajā reģistrācijas ģeometrijā detektors uztver plakanu viļņu plūsmu, ko izkliedē atsevišķi atomi, un var pieņemt, ka visu izkliedēto viļņu viļņu vektori ir ar augstu precizitāti paralēli.

Iepriekš minētās rentgenstaru izkliedes pazīmes un to reģistrācija vēsturiski tika sauktas par Fraunhofera difrakciju. Šis aptuvenais rentgenstaru izkliedes procesa apraksts uz atomu struktūrām ļauj ar augstu precizitāti aprēķināt difrakcijas modeli (izkliedētā starojuma intensitātes leņķisko sadalījumu). Pierādījums ir, ka Fraunhofera difrakcijas aproksimācija ir pamatā rentgenstaru difrakcijas metodēm matērijas pētīšanai, kas ļauj noteikt kristālu vienību šūnu parametrus, aprēķināt atomu koordinātas, noteikt dažādu fāžu klātbūtni paraugā, noteikt kristāla defektu īpašības utt.

Apsveriet nelielu kristālisku paraugu, kas satur ierobežotu skaitu N atomu ar noteiktu ķīmisko skaitu.

Ieviesīsim taisnstūra koordinātu sistēmu. Tās izcelsme ir saderīga ar viena atoma centru. Katra atoma centra (izkliedes centra) atrašanās vieta ir noteikta ar trim koordinātām. xj, yj, zj, kur j ir atomskaitlis.

Ļaujiet pētāmajam paraugam tikt pakļautam plakanam primārajam rentgena viļņam ar viļņu vektoru k0, kas vērsts paralēli izvēlētās koordinātu sistēmas Oz asij. Šajā gadījumā primāro vilni attēlo formas (3.17) funkcija.

Rentgenstaru izkliede pa atomiem var būt neelastīga vai elastīga. Elastīgā izkliede notiek, nemainot rentgena starojuma viļņa garumu. Ar neelastīgu izkliedi starojuma viļņa garums palielinās, un sekundārie viļņi ir nesakarīgi. Zemāk aplūkota tikai rentgenstaru elastīgā izkliede uz atomiem.

Apzīmēsim L kā attālumu no sākuma līdz detektoram. Pieņemsim, ka Fraunhofera difrakcijas nosacījumi ir izpildīti. Tas jo īpaši nozīmē, ka maksimālais attālums starp apstarotā parauga atomiem ir par vairākām kārtām mazāks par attālumu L. Šajā gadījumā detektora jutīgais elements tiek pakļauts plaknes viļņiem ar paralēliem viļņu vektoriem k. Visu vektoru moduļi ir vienādi ar viļņu vektora moduli k0 = 2π/l.

Katrs plaknes vilnis izraisa harmoniskas svārstības ar frekvenci

(3.21)

Ja primāro vilni apmierinoši tuvina plaknes harmoniskais vilnis, tad visi sekundārie (izkliedēti pa atomiem) viļņi ir koherenti. Izkliedēto viļņu fāzu atšķirība ir atkarīga no šo viļņu ceļa atšķirības.

Uzzīmēsim palīgasi Vai no koordinātu sākuma līdz detektora ievades loga vietai. Tad katru sekundāro izplatīšanos šīs ass virzienā var aprakstīt ar funkciju

y = A1 fcos(wt– kr+ j0) (3,22)

kur amplitūda A1 ir atkarīga no primārā viļņa A0 amplitūdas, un sākotnējā fāze j0 ir vienāda visiem sekundārajiem viļņiem.

Sekundārais vilnis, ko izstaro atoms, kas atrodas koordinātu sākumā, radīs detektora jutīgā elementa svārstības, ko raksturo funkcija

A1 f(q) cos(wt – kL+ j0) (3,23)

Citi sekundārie viļņi radīs svārstības ar tādu pašu frekvenci (3.21), bet atšķiras no funkcijas (3.23) fāzes nobīdē, kas savukārt ir atkarīga no sekundāro viļņu ceļa atšķirības.

Plakanu koherentu monohromatisku viļņu sistēmai, kas kustas noteiktā virzienā, relatīvā fāzes nobīde Dj ir tieši proporcionāla ceļa starpībai DL

Dj = k × DL(3,24)

kur k ir viļņa skaitlis

k = 2π/l. (3,25)

Lai aprēķinātu sekundāro viļņu ceļa atšķirību (3.23.), vispirms pieņemam, ka apstarotais paraugs ir viendimensionāla atomu ķēde, kas atrodas pa Ox koordinātu asi (sk. 3.9. att.). Atomu koordinātas norāda ar skaitļiem xi, (j = 0, 1, …, N–1), kur x0 = 0. Primārā plaknes viļņa konstantās fāzes virsma ir paralēla atomu ķēdei, un viļņu vektors k0 ir tam perpendikulārs.

Mēs aprēķināsim plakanu difrakcijas modeli, t.i. izkliedētā starojuma intensitātes leņķiskais sadalījums plaknē, kas parādīta 3.9. Šajā gadījumā detektora atrašanās vietas orientāciju (citiem vārdiem sakot, palīgass Or virzienu) nosaka izkliedes leņķis, ko mēra no Oz ass, t.i. uz primārā viļņa viļņa vektora k0 virzienu.

Att.3.9. Fraunhofera difrakcijas ģeometriskā shēma noteiktā plaknē uz taisnas atomu ķēdes

Nezaudējot argumentācijas vispārīgumu, mēs varam pieņemt, ka visi atomi atrodas uz labās Vērša pusass. (izņemot atomu, kas atrodas koordinātu centrā).

Tā kā Fraunhofera difrakcijas nosacījumi ir izpildīti, visu atomu izkliedēto viļņu viļņu vektori nonāk detektora ievades logā ar paralēliem viļņu vektoriem k.

No 3.9. att. izriet, ka vilnis, ko izstaro atoms ar koordinātu xi, virzās uz attālumu līdz detektoram L – xisin(q). Līdz ar to detektora jutīgā elementa svārstības, ko izraisa sekundārais vilnis, ko izstaro atoms ar koordinātu xi, apraksta ar funkciju

A1 f(q) cos(wt – k(L–xj sin(q)) + j0) (3.26)

Atlikušajiem izkliedētajiem viļņiem, kas nonāk noteiktā vietā esošā detektora logā, ir līdzīgs izskats.

Sākotnējās fāzes j0 vērtību pēc būtības nosaka brīdis, kad sāk skaitīt laiku. Nekas neliedz jums izvēlēties j0 vērtību, kas vienāda ar –kL. Tad detektora jutīgā elementa kustība tiks attēlota ar summu

(3.27)

Tas nozīmē, ka atomu ar koordinātām xi un x0 izkliedēto viļņu ceļu atšķirība ir –xisin(q), un atbilstošā fāžu starpība ir vienāda ar kxisin(q).

Elektromagnētisko viļņu svārstību frekvence w rentgenstaru diapazonā ir ļoti augsta. Rentgena stariem ar viļņa garumu l = Å frekvence w pēc lieluma ir ~1019 sek-1. Mūsdienu iekārtas nevar izmērīt momentānās elektriskā un magnētiskā lauka intensitātes vērtības (1) ar tik straujām lauka izmaiņām, tāpēc visi rentgena detektori fiksē elektromagnētisko svārstību amplitūdas kvadrāta vidējo vērtību.

Plkst strādāt pie augsta sprieguma, tāpat kā ar rentgenogrāfiju pie parastajiem spriegumiem, ir jāizmanto visas zināmās metodes, lai apkarotu izkliedēto rentgena starojumu.

Daudzums izkliedēti rentgena stari samazinās, samazinoties apstarošanas laukam, kas tiek panākts, ierobežojot darba rentgena staru kūļa diametru. Samazinoties apstarošanas laukam, savukārt uzlabojas rentgena attēla izšķirtspēja, t.i., samazinās acs uztvertās detaļas minimālais izmērs. Lai ierobežotu darba rentgena staru kūļa diametru, maināmās diafragmas vai caurules joprojām netiek pietiekami izmantotas.

Lai samazinātu summu izkliedēti rentgena stari Ja iespējams, jāizmanto kompresija. Kompresijas laikā samazinās pētāmā objekta biezums un, protams, ir mazāk izkliedētā rentgena starojuma veidošanās centru. Kompresijai tiek izmantotas speciālas kompresijas jostas, kas ir iekļautas rentgendiagnostikas iekārtās, taču tās netiek izmantotas pietiekami bieži.

Izkliedētā starojuma daudzums samazinās, palielinoties attālumam starp rentgena cauruli un filmu. Palielinot šo attālumu un atbilstošo apertūru, tiek iegūts mazāk novirzošs rentgenstaru darba stars. Palielinoties attālumam starp rentgena cauruli un plēvi, ir nepieciešams samazināt apstarošanas lauku līdz minimālajam iespējamajam izmēram. Šajā gadījumā pētāmo zonu nevajadzētu “nogriezt”.

Šim nolūkam pēdējā laikā dizaini Rentgena diagnostikas ierīcēm ir piramīdveida caurule ar gaismas centralizatoru. Ar tās palīdzību ir iespējams ne tikai ierobežot fotografējamo laukumu, lai uzlabotu rentgena attēla kvalitāti, bet arī novērst nevajadzīgu to cilvēka ķermeņa daļu apstarošanu, kuras nav pakļautas radiogrāfijai.

Lai samazinātu summu izkliedēti rentgena stari Pārbaudāmā objekta daļai jāatrodas pēc iespējas tuvāk rentgena filmai. Tas neattiecas uz tiešā palielinājuma rentgenogrāfiju. Radiogrāfijā ar tiešu attēla palielinājumu izkliedētais novērojums praktiski nesasniedz rentgena filmu.

Izmantoti smilšu maisi fiksācija pētāmajam objektam jāatrodas tālāk no kasetes, jo smiltis ir labs līdzeklis izkliedētā rentgena starojuma veidošanai.

Ar rentgenogrāfiju, kas ražots uz galda, neizmantojot sieta režģi, zem kasetes vai aploksnes ar plēvi jānovieto pēc iespējas lielāka izmēra svina gumijas loksne.
Uzsūkšanai izkliedēti rentgena stari tiek izmantoti skrīninga rentgena režģi, kas absorbē šos starus, tiem izejot no cilvēka ķermeņa.

Tehnoloģiju apgūšana Rentgena ražošana pie paaugstināta sprieguma rentgenstaru caurulē, tas ir tieši ceļš, kas tuvina mūs ideālajam rentgena attēlam, tas ir, tādam, kurā gan kauls, gan mīkstie audi ir skaidri redzami detalizēti.

RENTGENA IZKLAIDI- rentgenstaru izkliede ar vielu virzienos, kuros tā netiek veikta Bragg - Wolf stāvoklis.

Ideālā kristālā elastīga viļņu izkliede ar atomiem, kas atrodas periodiskos mezglos. režģis, kā rezultātā, notiek tikai noteiktā punktā. norādes vektors J, kas sakrīt ar abpusējo režģa vektoru virzieniem G: Q= k 2 -k 1 kur k 1 un k 2 - attiecīgi krītošo un izkliedēto viļņu viļņu vektori. Izkliedes intensitātes sadalījums savstarpējā režģa telpā ir d-veida Laue-Bragg pīķu kopums savstarpējās režģa vietās. Atomu pārvietošanās no režģa vietām izjauc kristāla periodiskumu un traucējumus. bilde mainās. Šajā gadījumā izkliedes intensitātes sadalījumā kopā ar maksimumiem (kas paliek, ja izkropļotā kristālā var identificēt vidējo periodisko režģi) parādās gluda sastāvdaļa. I 1 (Q), kas atbilst D. r. R. l. par kristāla nepilnībām.

Kopā ar elastīgo izkliedi D. r. R. l. var būt saistīts ar neelastīgiem procesiem, ko pavada kristāla elektroniskās apakšsistēmas ierosme, t.i., Komptona izkliede (sk. Komptona efekts) un izkliede ar plazmas ierosmi (sk. Cietvielu plazma). Izmantojot aprēķinus vai īpašus eksperimentos šos komponentus var izslēgt, izceļot D. r. R. l. par kristāla nepilnībām. Amorfās, šķidrās un gāzveida vielās, kur nav liela attāluma kārtības, izkliede ir tikai difūza.

Intensitātes sadalījums I 1 (Q) D. R. R. l. kristāls plašā vērtību diapazonā J, kas atbilst visai savstarpējā režģa vienības šūnai vai vairākām šūnām, satur detalizētu informāciju par kristāla īpašībām un tā nepilnībām. Eksperimentāli I 1 (Q) var iegūt, izmantojot metodi, izmantojot monohromatisku. Rentgens un ļauj pagriezt kristālu ap dažādām asīm un mainīt viļņu vektoru virzienus k 1, k 2, mainīgs, t.i., J plašā vērtību diapazonā. Mazāk detalizētu informāciju var iegūt Debye - Scherrer metode vai Laue metode.

Ideālā kristālā D.r.r.l. ko izraisa tikai termiskās nobīdes un nulles svārstības režģa atomi, un tos var saistīt ar viena vai vairāku vielu emisijas un absorbcijas procesiem. . Mazajiem J pamata Savu lomu spēlē viena fonona izkliede, kurā tikai fononi ar q = Q-G, Kur G-vistuvākais abpusējā režģa vektors J. Šādas izkliedes intensitāte es 1T ( J) monatomisku ideālu kristālu gadījumā nosaka f-loy

Kur N- kristāla elementāro šūnu skaits, f-strukturālā amplitūda, - Debī-Vallera faktors, t- atomu masa, -frekvences un . fononu vektori j th atzars ar viļņu vektoru q. Pie maza q frekvence, t.i., tuvojoties abpusējā režģa mezgliem, tā palielinās par 1/ q 2. Definēšana vektoriem q, paralēli vai perpendikulāri virzieniem , , kubiskajos kristālos, kur šo virzienu svārstību frekvences ir unikāli noteiktas ar apsvērumiem.

Neideālos kristālos ierobežota izmēra defekti noved pie pareizo atstarojumu intensitātes vājināšanās es 0 (J)un D.r.r.l. I 1 (Q) uz statisku defektu izraisītas novirzes un strukturālo amplitūdu izmaiņas ( s- šūnas numurs defekta tuvumā, - defekta veids vai orientācija). Nedaudz deformētos kristālos ar zemu defektu koncentrāciju (defektu skaits kristālā) un intensitāte D.r.r.l.

kur un ir Furjē komponenti.

Nobīdes samazinās līdz ar attālumu r no defekta kā 1/ r 2, kā rezultātā pie mazā q un blakus režģa mezgliem I 1 (Q)pieaug par 1/ q 2. Leņķis atkarība I 1 (Q) ir kvalitatīvi atšķirīgs dažāda veida un simetrijas defektiem un vērtībai I 1 (Q) nosaka pēc kropļojuma apjoma ap defektu. Izplatības pētījums I 1 (Q) kristālos, kuros ir punktveida defekti (piemēram, intersticiālie atomi un vakances apstarotajos materiālos, piemaisījumu atomi vājos cietos šķīdumos), ļauj iegūt detalizētu informāciju par defektu veidiem, to simetriju, izvietojumu režģī, atomu konfigurāciju. veidojot defektu, tensorē spēku dipolus, ar kuriem defekti iedarbojas uz kristālu.

Apvienojot punktu defektus grupās, intensitāte Es 1 mazo jomā q stipri palielinās, bet izrādās koncentrēts salīdzinoši mazos savstarpējās režģa telpas reģionos netālu no tā mezgliem, un ( R0- defekta lielums) ātri samazinās.

Intensīvas D. r. zonu izpēte. R. l. ļauj pētīt otrās fāzes daļiņu izmērus, formu un citas īpašības novecošanas šķīdumos. maza rādiusa cilpas apstarotās vai deformētās. materiāliem.

Kad nozīmē. lielu defektu koncentrācijas, kristāls ir stipri deformēts ne tikai lokāli defektu tuvumā, bet arī kopumā, tā ka lielākajā daļā tā tilpuma. Rezultātā Debija-Vallera faktors un pareizo atspulgu intensitāte es 0 eksponenciāli samazināties, un sadalījums I 1 (Q) ir kvalitatīvi pārkārtots, veidojot no abpusējiem režģa mezgliem nedaudz pārvietotas paplašinātas virsotnes, kuru platums ir atkarīgs no defektu lieluma un koncentrācijas. Eksperimentāli tie tiek uztverti kā paplašināti Braga pīķi (kvazilīnijas Debija diagrammā), un dažos gadījumos tiek novēroti difrakcijas modeļi. dubleti, kas sastāv no pīķu pāriem es 0 un Es 1. Šie efekti parādās novecojošajos sakausējumos un apstarotajos materiālos.

Koncentrētā veidā risinājumi, vienkomponentu sakārtoti kristāli, feroelektriķi, neidealitāte nav saistīta ar atsevišķiem faktoriem. defekti un svārstības. koncentrācijas un iekšējās neviendabības parametri un I 1 (Q) var ērti uzskatīt par izkliedi pēc q th. svārstības šo parametru vilnis ( q=Q-G). Piemēram, bināros risinājumos A - B ar vienu atomu katrā šūnā, neņemot vērā statisko izkliedi. pārvietojumi

Kur f A un f B- atomu A un B atomu izkliedes koeficienti, Ar- koncentrācija - korelācijas parametri, - ar režģa vektoru atdalītu mezglu pāra aizstāšanas varbūtība A, atomi A. Noteikusi I 1 (Q) visā apgrieztā režģa šūnā un veicot Furjē transformāciju, var atrast f-cijas dekomp. koordināciju sfēras Statiskā izkliede novirzes ir izslēgtas, pamatojoties uz intensitātes datiem I 1 (Q) vairākās abpusējas režģa šūnas. Izplatījumi I 1 (Q) var izmantot arī tieši. risinājumu sakārtošanas enerģiju noteikšana dažādām A pāru mijiedarbības modelī un tā termodinamikā. īpašības. D.r.r.l. iezīmes. metālisks risinājumi ļāva attīstīt difrakciju. pētījuma metode kopņu virsma sakausējumi

Sistēmās, kas atrodas stāvokļos, kas ir tuvu 2. kārtas un kritiskajiem fāzes pārejas punktiem. punktiem uz sabrukšanas līknēm, svārstības strauji palielinās un kļūst liela mēroga. Tie izraisa intensīvu kritiku. D. r. R. l. savstarpējo režģa mezglu tuvumā. Viņa pētījums ļauj iegūt svarīgu informāciju par fāzu pāreju iezīmēm un termodinamikas uzvedību. vērtības pārejas punktu tuvumā.

Termisko neitronu difūzā izkliede ar statisku. neviendabības, kas līdzīgas D. r. R. l. un to raksturo līdzīgas frāzes. Neitronu izkliedes izpēte ļauj pētīt arī dinamisko. atomu vibrāciju un svārstību raksturojums. neviendabīgums (sk Neelastīga neitronu izkliede).

Lit.: James R., Rentgenstaru difrakcijas optiskie principi, trans. no angļu val., M., 1950; Iveronova V.I., Revkevičs G.P., Rentgenstaru izkliedes teorija, 2. izd., M., 1978; Iveronova V.I., Katsnelson A.A., Short-range order in solid solutions, M., 1977; Cowley J., Difrakcijas fizika, tulk. no angļu val., M., 1979; Krivoglaz M A., Rentgenstaru un neitronu difrakcija neideālos kristālos, K., 1983; viņa autors, Rentgenstaru un neitronu difūzā izkliede uz svārstību neviendabīgumu neideālos kristālos, K., 1984.

M. A. Krivoglazs.

Atšķirībā no daudzām tajā laikā plaši izplatītajām spekulācijām par atoma uzbūvi, Tomsona modelis bija balstīts uz fiziskiem faktiem, kas ne tikai attaisnoja modeli, bet arī sniedza zināmas norādes par asinsķermenīšu skaitu atomā. Pirmais šāds fakts ir rentgenstaru izkliede jeb, kā teica Tomsons, sekundāro rentgenstaru rašanās. Tomsons rentgenstarus uzskata par elektromagnētiskām pulsācijām. Kad šādas pulsācijas krīt uz atomiem, kas satur elektronus, elektroni, nonākot paātrinātā kustībā, izstaro, kā aprakstīts Larmora formulā. Enerģijas daudzums, ko laika vienībā emitē elektroni, kas atrodas tilpuma vienībā, būs

kur N ir elektronu (ķermeņu) skaits tilpuma vienībā. No otras puses, elektronu paātrinājums

kur E r ir primārā starojuma lauka stiprums. Līdz ar to izkliedētā starojuma intensitāte

Tā kā krītošā starojuma intensitāte saskaņā ar Pointinga teorēmu ir vienāda ar

tad izkliedētās enerģijas attiecība pret primāro

Čārlzs Glovers Barkla, kurš 1917. gadā saņēma Nobela prēmiju par raksturīgo rentgenstaru atklāšanu, bija 1899.-1902. kā "pētniecības students" (maģistrants) kopā ar Tomsonu Kembridžā, un šeit viņš sāka interesēties par rentgena stariem. 1902. gadā viņš bija pasniedzējs Liverpūles Universitātes koledžā, un šeit 1904. gadā, pētot sekundāro rentgena starojumu, viņš atklāja tā polarizāciju, kas diezgan saskanēja ar Tomsona teorētiskajām prognozēm. Pēdējā 1906. gada eksperimentā Barkla izraisīja primārā stara izkliedi ar oglekļa atomiem. Izkliedētais stars nokrita perpendikulāri primārajam staram un atkal tika izkliedēts ar oglekli. Šis terciārais stars bija pilnībā polarizēts.

Pētot gaismas atomu rentgenstaru izkliedi, Barkla 1904. gadā atklāja, ka sekundāro staru raksturs ir tāds pats kā primārajiem. Sekundārā starojuma intensitātes attiecībai pret primāro viņš atrada vērtību, kas nav atkarīga no primārā starojuma un ir proporcionāla vielas blīvumam:

No Tomsona formulas

Bet blīvums = n A / L, kur A ir atoma svars, n ir atomu skaits 1 cm 3, L ir Avogadro skaitlis. Tāpēc

Ja mēs ievietojam asinsķermenīšu skaitu atomā, kas vienāds ar Z, tad N = nZ un

Ja šīs izteiksmes labajā pusē aizvietosim vērtības e, m, L, mēs atradīsim K. 1906. gadā, kad skaitļi e un m nebija precīzi zināmi, Tomsons no Bārkla mērījumiem atklāja gaisu, ka Z = A, t.i., asinsķermenīšu skaits atomā ir vienāds ar atoma svaru. K vērtība, ko Bārkls 1904. gadā ieguva vieglajiem atomiem, bija K = 0,2. Bet 1911. gadā Barkla, izmantojot Buherera atjauninātos datus par e / m, ieguva e un L vērtības Rezerfords Un Ģēģers, saņemts K = 0,4, un tāpēc, Z = 1/2. Kā izrādījās nedaudz vēlāk, šīs attiecības labi saglabājas vieglo kodolu reģionā (izņemot ūdeņradi).

Tomsona teorija palīdzēja noskaidrot vairākus jautājumus, bet atstāja vēl vairāk jautājumu neatrisinātu. Izšķirošo triecienu šim modelim deva Rezerforda eksperimenti 1911. gadā, par kuriem tiks runāts vēlāk.

Līdzīgu atoma gredzena modeli 1903. gadā ierosināja japāņu fiziķis Nagaoka. Viņš ierosināja, ka atoma centrā ir pozitīvs lādiņš, ap kuru griežas elektronu gredzeni, piemēram, Saturna gredzeni. Viņam izdevās aprēķināt svārstību periodus, ko veic elektroni ar nelielām nobīdēm savās orbītās. Šādā veidā iegūtās frekvences vairāk vai mazāk aptuveni aprakstīja dažu elementu spektrālās līnijas *.

* (Jāpiebilst arī, ka atoma planetārais modelis tika ierosināts 1901. gadā. J. Perins. Viņš pieminēja šo mēģinājumu savā Nobela lekcijā, kas tika sniegta 1926. gada 11. decembrī.)

1905. gada 25. septembrī Vācijas dabaszinātnieku un ārstu 77. kongresā V. Vīns sniedza ziņojumu par elektroniem. Šajā ziņojumā viņš, starp citu, teica sekojošo: "Spektrlīniju skaidrojums arī rada lielas grūtības elektronu teorijai. Tā kā katrs elements atbilst noteiktai spektra līniju grupai, ko tas izstaro, atrodoties luminiscences stāvoklī, katrs elements atomam ir jāatspoguļo nemainīga sistēma. Visvieglāk atomu būtu uzskatīt par planētu sistēmu, kas sastāv no pozitīvi lādēta centra, ap kuru griežas negatīvi elektroni, piemēram, planētas. Taču šāda sistēma nevar būt nemainīga elektronu izstarotās enerģijas dēļ. Tāpēc mēs esam spiesti pievērsties sistēmai, kurā elektroni atrodas relatīvā miera stāvoklī vai tiem ir niecīgs ātrums - koncepcija, kas satur daudz apšaubāmu lietu.

Šīs šaubas pieauga vēl vairāk, kad tika atklātas jaunas noslēpumainas radiācijas un atomu īpašības.