împrăștiere cu raze X. Absorbția și împrăștierea razelor X

Radiația de raze X se referă la unde electromagnetice cu o lungime de aproximativ 80 până la 10 -5 nm. Radiația cu raze X cu cea mai lungă undă este suprapusă de radiația ultravioletă cu undă scurtă, iar radiația cu raze X cu undă scurtă este suprapusă cu radiația cu undă lungă γ. Pe baza metodei de excitare, radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și caracteristică.

31.1. DISPOZITIV TUB DE RAZE X. Bremsstrahlung X-Ray

Cea mai comună sursă de radiație cu raze X este un tub cu raze X, care este un dispozitiv de vid cu doi electrozi (Fig. 31.1). Catod incalzit 1 emite electroni 4. Anodul 2, numit adesea anticatod, are o suprafață înclinată pentru a dirija radiația de raze X rezultată. 3 în unghi faţă de axa tubului. Anodul este fabricat dintr-un material foarte conductor de căldură pentru a elimina căldura generată de impactul electronilor. Suprafața anodului este realizată din materiale refractare care au un număr atomic mare în tabelul periodic, de exemplu, wolfram. În unele cazuri, anodul este răcit special cu apă sau ulei.

Pentru tuburile de diagnosticare este importantă precizia sursei de raze X, care poate fi realizată prin focalizarea electronilor într-un singur loc al anticatodului. Prin urmare, din punct de vedere constructiv, este necesar să se țină cont de două sarcini opuse: pe de o parte, electronii trebuie să cadă într-un loc al anodului, pe de altă parte, pentru a preveni supraîncălzirea, este de dorit să se distribuie electronii pe diferite zone ale anodul. O soluție tehnică interesantă este un tub cu raze X cu un anod rotativ (Fig. 31.2).

Ca urmare a frânării unui electron (sau a unei alte particule încărcate) de către câmpul electrostatic al nucleului atomic și electronii atomici ai substanței, apare un anticatod. Radiația de raze X Bremsstrahlung.

Mecanismul său poate fi explicat după cum urmează. Asociat cu o sarcină electrică în mișcare este un câmp magnetic, a cărui inducție depinde de viteza electronului. La frânare, câmpul magnetic scade

inducție și, în conformitate cu teoria lui Maxwell, apare o undă electromagnetică.

Când electronii sunt decelerati, doar o parte din energie este folosită pentru a crea un foton cu raze X, cealaltă parte este cheltuită pentru încălzirea anodului. Deoarece relația dintre aceste părți este aleatorie, atunci când un număr mare de electroni este decelerat, se formează un spectru continuu de radiații cu raze X. În acest sens, bremsstrahlung este numită și radiație continuă. În fig. Figura 31.3 arată dependența fluxului de raze X de lungimea de undă λ (spectre) la diferite tensiuni în tubul de raze X: U 1< U 2 < U 3 .

În fiecare dintre spectre, bremsstrahlung cu cea mai scurtă lungime de undă este λ ηίη apare atunci când energia dobândită de un electron într-un câmp de accelerare este complet convertită în energie fotonică:

Rețineți că pe baza (31.2), a fost dezvoltată una dintre cele mai precise metode pentru determinarea experimentală a constantei lui Planck.

Razele X cu undă scurtă sunt în general mai pătrunzătoare decât razele X cu undă lungă și sunt numite greu,și val lung - moale.

Prin creșterea tensiunii pe tubul de raze X, compoziția spectrală a radiației se modifică, așa cum se poate observa din Fig. 31.3 și formulele (31.3) și crește rigiditatea.

Dacă creșteți temperatura filamentului catodului, emisia de electroni și curentul din tub vor crește. Acest lucru va crește numărul de fotoni de raze X emiși în fiecare secundă. Compoziția sa spectrală nu se va schimba. În fig. Figura 31.4 prezintă spectrele razelor X bremsstrahlung la aceeași tensiune, dar la curenți de încălzire catodici diferiți: / n1< / н2 .

Fluxul de raze X se calculează folosind formula:

Unde UŞi eu - tensiune și curent în tubul cu raze X; Z- numărul de serie al atomului substanței anodice; k- coeficientul de proporţionalitate. Spectre obţinute din diferiţi anticatozi în acelaşi timp Uși I H sunt prezentate în Fig. 31.5.

31.2. RADIAȚII RX CARACTERISTICE. SPECTRE DE RAZE X ATOMICE

Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, se poate observa pe fundalul unui spectru continuu apariția unui spectru de linie, care corespunde cu

radiații cu raze X caracteristice(Fig. 31.6). Ea apare din cauza faptului că electronii accelerați pătrund adânc în atom și scot electronii din straturile interioare. Electronii de la nivelurile superioare se deplasează în locuri libere (Fig. 31.7), ca urmare, sunt emiși fotoni de radiații caracteristice. După cum se poate observa din figură, radiația caracteristică cu raze X este formată din serii K, L, M etc., al cărui nume servea la desemnarea straturilor electronice. Deoarece emisia seriei K eliberează locuri în straturile superioare, liniile altor serii sunt emise în același timp.

Spre deosebire de spectrele optice, spectrele de raze X caracteristice ale diferiților atomi sunt de același tip. În fig. Figura 31.8 prezintă spectrele diferitelor elemente. Uniformitatea acestor spectre se datorează faptului că straturile interne ale diferiților atomi sunt identice și diferă doar energetic, deoarece acțiunea forței din nucleu crește pe măsură ce numărul atomic al elementului crește. Această împrejurare duce la faptul că spectrele caracteristice se deplasează către frecvențe mai mari odată cu creșterea sarcinii nucleare. Acest model este vizibil din Fig. 31.8 și este cunoscut ca Legea lui Moseley:

Unde v- frecvența liniei spectrale; Z- numărul atomic al elementului emițător; OŞi ÎN- permanentă.

Există o altă diferență între spectrele optice și cele de raze X.

Spectrul de raze X caracteristic unui atom nu depinde de compusul chimic în care este inclus acest atom. De exemplu, spectrul de raze X al atomului de oxigen este același pentru O, O 2 și H 2 O, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși sunt semnificativ diferite. Această caracteristică a spectrului de raze X al atomului a servit drept bază pentru nume caracteristică.

Radiația caracteristică apare întotdeauna atunci când există spațiu liber în straturile interioare ale atomului, indiferent de motivul care a provocat-o. De exemplu, radiația caracteristică însoțește unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă (vezi 32.1), care constă în captarea unui electron din stratul interior de către nucleu.

31.3. INTERACȚIA RADIAȚIILOR X CU MATERIA

Înregistrarea și utilizarea radiațiilor cu raze X, precum și impactul acesteia asupra obiectelor biologice, sunt determinate de procesele primare de interacțiune a fotonului de raze X cu electronii atomilor și moleculelor substanței.

În funcție de raportul energetic hv fotonii și energia de ionizare 1 A și au loc trei procese principale.

Imprăștire coerentă (clasică).

Imprăștirea razelor X cu undă lungă are loc în esență fără modificarea lungimii de undă și se numește coerent. Apare dacă energia fotonului este mai mică decât energia de ionizare: hv< A și.

Deoarece în acest caz energia fotonului de raze X și a atomului nu se modifică, împrăștierea coerentă în sine nu provoacă un efect biologic. Cu toate acestea, atunci când se creează protecție împotriva radiațiilor X, ar trebui să se ia în considerare posibilitatea de a schimba direcția fasciculului primar. Acest tip de interacțiune este important pentru analiza difracției de raze X (vezi 24.7).

Imprăștire incoerentă (efect Compton)

În 1922 A.Kh. Compton, observând împrăștierea razelor X dure, a descoperit o scădere a capacității de penetrare a fasciculului împrăștiat față de cel incident. Aceasta însemna că lungimea de undă a razelor X împrăștiate era mai mare decât razele X incidente. Se numește împrăștiere a razelor X cu o modificare a lungimii de undă incoerent nom, și fenomenul în sine - Efectul Compton. Apare dacă energia fotonului cu raze X este mai mare decât energia de ionizare: hv > A și.

Acest fenomen se datorează faptului că atunci când interacționează cu un atom, energia hv fotonul este cheltuit pentru formarea unui nou foton împrăștiat cu raze X cu energie hv", pentru a elimina un electron dintr-un atom (energia de ionizare A și) și a conferi energie cinetică electronului E la:

hv= hv" + A și + E k.(31.6)

1 Aici, energia de ionizare se referă la energia necesară pentru a îndepărta electronii interni dintr-un atom sau moleculă.

Deoarece în multe cazuri hv>> Și și efectul Compton are loc pe electronii liberi, atunci putem scrie aproximativ:

hv = hv"+ E K .(31.7)

Este semnificativ faptul că în acest fenomen (Fig. 31.9), alături de radiația secundară de raze X (energie hv" foton) apar electroni de recul (energie cinetică E k electron). Atomii sau moleculele devin apoi ioni.

Efect foto

În efectul fotoelectric, razele X sunt absorbite de un atom, determinând ejectarea unui electron și ionizarea atomului (fotoionizare).

Cele trei procese principale de interacțiune discutate mai sus sunt primare, duc la secundar, terțiar etc. fenomene. De exemplu, atomii ionizați pot emite un spectru caracteristic, atomii excitați pot deveni surse de lumină vizibilă (luminescență cu raze X), etc.

În fig. 31.10 prezintă o diagramă a proceselor posibile care au loc atunci când radiația de raze X intră într-o substanță. Câteva zeci de procese similare cu cel descris pot avea loc înainte ca energia fotonului cu raze X să fie convertită în energia mișcării termice moleculare. Ca urmare, vor avea loc modificări ale compoziției moleculare a substanței.

Procesele reprezentate de diagrama din Fig. 31.10, stau la baza fenomenelor observate în timpul acțiunii radiațiilor X asupra materiei. Să enumerăm câteva dintre ele.

Luminescență cu raze X- strălucirea unui număr de substanțe sub iradiere cu raze X. Această strălucire de platină-sinoxid de bariu i-a permis lui Roentgen să descopere razele. Acest fenomen este folosit pentru a crea ecrane luminoase speciale în scopul observării vizuale a radiațiilor cu raze X, uneori pentru a îmbunătăți efectul razelor X pe o placă fotografică.

Sunt cunoscute efectele chimice ale radiațiilor X, de exemplu formarea peroxidului de hidrogen în apă. Un exemplu practic important este efectul pe o placă fotografică, care permite înregistrarea unor astfel de raze.

Efectul ionizant se manifestă printr-o creștere a conductibilității electrice sub influența razelor X. Această proprietate este folosită

în dozimetrie pentru a cuantifica efectele acestui tip de radiaţii.

Ca urmare a multor procese, fasciculul primar de radiații X este slăbit în conformitate cu legea (29.3). Să o scriem sub forma:

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

Unde μ - coeficient liniar de atenuare. Poate fi reprezentat ca fiind alcătuit din trei termeni corespunzători împrăștierii coerente μ κ, incoerente μ ΗK și efect fotoelectric μ f:

μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)

Intensitatea radiației cu raze X este atenuată proporțional cu numărul de atomi ai substanței prin care trece acest flux. Dacă comprimați o substanță de-a lungul axei X, de exemplu, în b ori, crescând cu b de la densitatea sa, atunci

31.4. BAZELE FIZICE ALE APLICĂRII RADIAȚIILOR X ÎN MEDICINĂ

Una dintre cele mai importante utilizări medicale ale razelor X este iluminarea organelor interne în scopuri de diagnostic. (diagnosticare cu raze X).

Pentru diagnosticare se folosesc fotoni cu o energie de aproximativ 60-120 keV. La această energie, coeficientul de atenuare a masei este determinat în principal de efectul fotoelectric. Valoarea sa este invers proporțională cu puterea a treia a energiei fotonului (proporțional cu λ 3), care arată puterea de penetrare mai mare a radiației dure și proporțională cu puterea a treia a numărului atomic al substanței absorbante:

Diferența semnificativă în absorbția radiațiilor X de către diferite țesuturi permite să vedem imagini ale organelor interne ale corpului uman în proiecție în umbră.

Diagnosticarea cu raze X este utilizată în două versiuni: fluoroscopie - imaginea este vizualizată pe un ecran luminescent cu raze X, radiografie - imaginea este inregistrata pe film fotografic.

Dacă organul care este examinat și țesuturile înconjurătoare atenuează radiațiile cu raze X aproximativ în mod egal, atunci se folosesc agenți de contrast speciali. De exemplu, după ce a umplut stomacul și intestinele cu o masă asemănătoare terciului de sulfat de bariu, puteți vedea imaginea lor în umbră.

Luminozitatea imaginii de pe ecran și timpul de expunere pe film depind de intensitatea radiației X. Dacă este utilizat pentru diagnosticare, atunci intensitatea nu poate fi mare pentru a nu provoca consecințe biologice nedorite. Prin urmare, există o serie de dispozitive tehnice care îmbunătățesc imaginile la intensități scăzute de raze X. Un exemplu de astfel de dispozitiv sunt convertoarele electro-optice (vezi 27.8). În timpul examinării în masă a populației, o variantă de radiografie este utilizată pe scară largă - fluorografia, în care o imagine de pe un ecran mare luminescent cu raze X este înregistrată pe un film sensibil de format mic. La fotografiere, se folosește un obiectiv cu deschidere mare, iar imaginile finite sunt examinate cu o lupă specială.

O opțiune interesantă și promițătoare pentru radiografie este o metodă numită tomografie cu raze X, și „versiunea sa de mașină” - tomografie computerizată.

Să luăm în considerare această întrebare.

O radiografie tipică acoperă o zonă mare a corpului, cu diferite organe și țesuturi care se ascund unele pe altele. Acest lucru poate fi evitat dacă mutați periodic tubul cu raze X împreună (Fig. 31.11) în antifază RTși film fotografic FP relativ la obiect Despre cercetare. Corpul conține o serie de incluziuni care sunt opace la raze X, acestea sunt prezentate ca cercuri în figură. După cum se poate observa, razele X în orice poziție a tubului de raze X (1, 2 etc.) trece prin

tăierea aceluiași punct al obiectului, care este centrul față de care are loc mișcarea periodică RTŞi Fp. Acest punct, sau mai degrabă o mică incluziune opac, este prezentat cu un cerc întunecat. Imaginea lui în umbră se mișcă cu FP, ocupând pozițiile secvențiale 1, 2 etc. Incluziunile rămase în corp (oase, compactări etc.) sunt create pe FP un fundal general, deoarece razele X nu sunt în mod constant ascunse de ele. Schimbând poziția centrului de balansare, puteți obține o imagine cu raze X strat cu strat a corpului. De aici și numele - tomografie(înregistrare stratificată).

Este posibil, folosind un fascicul subțire de radiații X, un ecran (în loc de Fp), format din detectoare de radiații ionizante cu semiconductor (vezi 32.5) și un computer, procesează imaginea cu raze X în umbră în timpul tomografiei. Această versiune modernă a tomografiei (tomografie computerizată sau computerizată cu raze X) vă permite să obțineți imagini strat cu strat ale corpului pe ecranul unui tub catodic sau pe hârtie cu detalii mai mici de 2 mm cu o diferență de x- absorbția razelor de până la 0,1%. Acest lucru face posibilă, de exemplu, să se facă distincția între substanța cenușie și cea albă a creierului și să se vadă formațiuni tumorale foarte mici.

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

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

unde t este timpul, w este frecvența radiației electromagnetice, k0 este numărul de undă, j0 este faza inițială. Numărul de undă este modulul vectorului de undă și este invers proporțional cu lungimea de undă k0 = 2π/l. Valoarea numerică a fazei inițiale depinde de alegerea timpului inițial t0=0. Mărimile EX0, EY0, BX0, BY0 sunt amplitudinile componentelor corespunzătoare (3.16) ale câmpurilor electrice și magnetice ale undei.

Astfel, toate componentele (3.16) ale unei unde electromagnetice plane sunt descrise prin funcții armonice elementare de forma:

Y = A0 cos(wt – kz+ j0) (3,17)

Să luăm în considerare împrăștierea unei unde plane de raze X monocromatice pe un set de atomi ai probei studiate (pe o moleculă, un cristal de dimensiuni finite etc.). Interacțiunea unei unde electromagnetice cu electronii atomilor duce la generarea de unde electromagnetice secundare (împrăștiate). Conform electrodinamicii clasice, împrăștierea de la un electron individual are loc la un unghi solid de 4p și are o anizotropie semnificativă. Dacă radiația primară de raze X nu este polarizată, atunci densitatea de flux a radiației împrăștiate a undei este descrisă de următoarea funcție

(3.18)

unde I0 este densitatea fluxului radiației primare, R este distanța de la punctul de împrăștiere până la locul de înregistrare a radiației împrăștiate, q este unghiul de împrăștiere polar, care este măsurat din direcția vectorului de undă al undei primare plane k0 ( vezi Fig. 3.6). Parametru

» 2,818×10-6 nm(3,19)

numită istoric raza electronului clasic.

Fig.3.6. Unghiul de împrăștiere polar q al unei unde primare plane pe o probă mică de Cr aflată în studiu.

Un anumit unghi q definește o suprafață conică în spațiu. Mișcarea corelată a electronilor în interiorul unui atom complică anizotropia radiațiilor împrăștiate. Amplitudinea unei unde de raze X împrăștiate de un atom este exprimată folosind o funcție a lungimii de undă și a unghiului polar f(q, l), care se numește amplitudine atomică.

Astfel, distribuția unghiulară a intensității undei de raze X împrăștiate de un atom este exprimată prin formula

(3. 20)

și are simetrie axială față de direcția vectorului de undă al undei primare k0. Pătratul amplitudinii atomice f 2 se numește de obicei factor atomic.

De regulă, în instalațiile experimentale pentru difracția de raze X și studiile spectrale de raze X, detectorul de raze X împrăștiate este situat la o distanță R semnificativ mai mare decât dimensiunile probei de împrăștiere. În astfel de cazuri, fereastra de intrare a detectorului decupează un element de pe suprafața fazei constante a undei împrăștiate, care poate fi presupus a fi plat cu mare precizie.

Fig.3.8. Diagrama geometrică a împrăștierii razelor X pe atomii probei 1 în condiții de difracție Fraunhofer.

2 – Detector de raze X, k0 – vector de undă al undei de raze X primare, săgețile punctate descriu fluxurile de raze X primare, cele punctate cu liniuțe – fluxuri de raze X împrăștiate. Cercurile indică atomii din eșantionul studiat.

În plus, distanțele dintre atomii vecini ai probei iradiate sunt cu câteva ordine de mărime mai mici decât diametrul ferestrei de intrare a detectorului.

În consecință, în această geometrie de înregistrare, detectorul percepe un flux de unde plane împrăștiate de atomi individuali, iar vectorii de undă ai tuturor undelor împrăștiate pot fi presupuși a fi paraleli cu mare precizie.

Caracteristicile de mai sus ale împrăștierii cu raze X și înregistrarea lor au fost numite istoric difracție Fraunhofer. Această descriere aproximativă a procesului de împrăștiere a razelor X pe structurile atomice permite să se calculeze modelul de difracție (distribuția unghiulară a intensității radiației împrăștiate) cu mare precizie. Dovada este că aproximarea difracției Fraunhofer stă la baza metodelor de difracție cu raze X pentru studiul materiei, care fac posibilă determinarea parametrilor celulelor elementare ale cristalelor, calcularea coordonatelor atomilor, stabilirea prezenței diferitelor faze într-o probă, determinarea caracteristicile defectelor cristalului etc.

Luați în considerare o mică probă cristalină care conține un număr finit N de atomi cu un anumit număr chimic.

Să introducem un sistem de coordonate dreptunghiular. Originea sa este compatibilă cu centrul unuia dintre atomi. Poziția fiecărui centru atomic (centrul de împrăștiere) este specificată de trei coordonate. xj, yj, zj, unde j este numărul atomic.

Lăsați proba studiată să fie expusă la o undă de raze X plană primară cu un vector de undă k0 îndreptat paralel cu axa Oz a sistemului de coordonate selectat. În acest caz, unda primară este reprezentată printr-o funcție de forma (3.17).

Difuzarea razelor X de către atomi poate fi fie neelastică, fie elastică. Imprăștirea elastică are loc fără modificarea lungimii de undă a radiației X. Cu împrăștierea inelastică, lungimea de undă a radiației crește, iar undele secundare sunt incoerente. Mai jos, este luată în considerare doar împrăștierea elastică a razelor X pe atomi.

Să notăm L ca distanța de la origine la detector. Să presupunem că sunt îndeplinite condițiile de difracție Fraunhofer. Aceasta, în special, înseamnă că distanța maximă dintre atomii probei iradiate este cu câteva ordine de mărime mai mică decât distanța L. În acest caz, elementul sensibil al detectorului este expus undelor plane cu vectori de undă paraleli k. Modulele tuturor vectorilor sunt egale cu modulul vectorului de undă k0 = 2π/l.

Fiecare undă plană provoacă o oscilație armonică cu o frecvență

(3.21)

Dacă unda primară este aproximată satisfăcător de o undă armonică plană, atunci toate undele secundare (împrăștiate de atomi) sunt coerente. Diferența de fază a undelor împrăștiate depinde de diferența de cale a acestor unde.

Să desenăm o axă auxiliară Sau de la originea coordonatelor până la locația ferestrei de intrare a detectorului. Apoi fiecare propagare secundară în direcția acestei axe poate fi descrisă de funcție

y = A1 fcos(wt– kr+ j0) (3,22)

unde amplitudinea A1 depinde de amplitudinea undei primare A0, iar faza inițială j0 este aceeași pentru toate undele secundare.

O undă secundară emisă de un atom situat la originea coordonatelor va crea o oscilație a elementului sensibil al detectorului, descrisă de funcția

A1 f(q) cos(wt – kL+ j0) (3,23)

Alte unde secundare vor crea oscilații cu aceeași frecvență (3.21), dar care diferă de funcția (3.23) în defazare, care, la rândul său, depinde de diferența de cale a undelor secundare.

Pentru un sistem de unde plane monocromatice coerente care se deplasează într-o anumită direcție, defazarea relativă Dj este direct proporțională cu diferența de cale DL

Dj = k×DL(3,24)

unde k este numărul de undă

k = 2π/l. (3,25)

Pentru a calcula diferența în calea undelor secundare (3.23), presupunem mai întâi că proba iradiată este un lanț unidimensional de atomi situat de-a lungul axei de coordonate Ox (vezi Fig. 3.9). Coordonatele atomilor sunt specificate de numerele xi, (j = 0, 1, …, N–1), unde x0 = 0. Suprafața fazei constante a undei plane primare este paralelă cu lanțul de atomi, iar vectorul de undă k0 este perpendicular pe acesta.

Vom calcula un model de difracție plat, adică distribuția unghiulară a intensității radiației împrăștiate în planul prezentat în Fig. 3.9. În acest caz, orientarea locației detectorului (cu alte cuvinte, direcția axei auxiliare Or) este specificată de unghiul de împrăștiere, care este măsurat de pe axa Oz, adică. pe direcţia vectorului de undă k0 al undei primare.

Fig.3.9. Schema geometrică a difracției Fraunhofer într-un plan dat pe un lanț rectiliniu de atomi

Fără pierderea generalității raționamentului, putem presupune că toți atomii sunt localizați pe semiaxa dreapta Ox. (cu excepția atomului situat în centrul coordonatelor).

Deoarece condițiile de difracție Fraunhofer sunt îndeplinite, vectorii de undă ai tuturor undelor împrăștiate de atomi ajung la fereastra de intrare a detectorului cu vectori de undă paraleli k.

Din fig. 3.9 rezultă că unda emisă de un atom cu coordonata xi parcurge o distanţă până la detectorul L – xisin(q). În consecință, oscilația elementului sensibil al detectorului cauzată de o undă secundară emisă de un atom cu coordonata xi este descrisă de funcția

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

Undele împrăștiate rămase care intră în fereastra detectorului situat într-o poziție dată au un aspect similar.

Valoarea fazei inițiale j0 este determinată, în esență, de momentul în care timpul începe să conteze. Nimic nu vă împiedică să alegeți valoarea lui j0 egală cu –kL. Apoi mișcarea elementului sensibil al detectorului va fi reprezentată de suma

(3.27)

Aceasta înseamnă că diferența în traseele undelor împrăștiate de atomi cu coordonatele xi și x0 este –xisin(q), iar diferența de fază corespunzătoare este egală cu kxisin(q).

Frecvența w a oscilațiilor undelor electromagnetice în domeniul razelor X este foarte mare. Pentru razele X cu o lungime de undă l = Å, frecvența w în ordinul mărimii este de ~1019 sec-1. Echipamentele moderne nu pot măsura valorile instantanee ale intensității câmpului electric și magnetic (1) cu modificări atât de rapide ale câmpului, prin urmare, toți detectoarele de raze X înregistrează valoarea medie a amplitudinii pătrate a oscilațiilor electromagnetice.

La lucrează la tensiuni înalte, ca și în cazul radiografiei la tensiuni obișnuite, este necesar să se utilizeze toate metodele cunoscute de combatere a radiațiilor X împrăștiate.

Cantitate raze X împrăștiate scade odată cu scăderea câmpului de iradiere, ceea ce se realizează prin limitarea diametrului fasciculului de raze X de lucru. Odată cu scăderea câmpului de iradiere, la rândul său, rezoluția imaginii cu raze X se îmbunătățește, adică dimensiunea minimă a detaliului detectat de ochi scade. Pentru a limita diametrul fasciculului de raze X de lucru, diafragmele sau tuburile înlocuibile sunt încă departe de a fi utilizate suficient.

Pentru a reduce cantitatea raze X împrăștiate Compresia trebuie utilizată acolo unde este posibil. În timpul compresiei, grosimea obiectului studiat scade și, desigur, există mai puține centre de formare a radiațiilor X împrăștiate. Pentru compresie se folosesc curele speciale de compresie, care sunt incluse în echipamentele de diagnosticare cu raze X, dar nu sunt folosite suficient de des.

Cantitatea de radiație împrăștiată scade odata cu cresterea distantei dintre tubul cu raze X si film. Prin creșterea acestei distanțe și a deschiderii corespunzătoare, se obține un fascicul de lucru mai puțin divergent de raze X. Pe măsură ce distanța dintre tubul cu raze X și film crește, este necesar să se reducă câmpul de iradiere la dimensiunea minimă posibilă. În acest caz, zona supusă studiului nu trebuie „decupată”.

În acest scop, în ultima perioadă desene Dispozitivele de diagnosticare cu raze X au un tub piramidal cu un centralizator de lumină. Cu ajutorul acestuia, este posibil nu numai limitarea zonei fotografiate pentru a îmbunătăți calitatea imaginii cu raze X, ci și eliminarea iradierii inutile a acelor părți ale corpului uman care nu sunt supuse radiografiei.

Pentru a reduce cantitatea raze X împrăștiate Partea obiectului examinată trebuie să fie cât mai aproape posibil de filmul cu raze X. Acest lucru nu se aplică radiografiei cu mărire directă. În radiografia cu mărire directă a imaginii, observația împrăștiată practic nu ajunge la filmul cu raze X.

Saci de nisip folositi pt fixare obiectul studiat ar trebui să fie situat mai departe de casetă, deoarece nisipul este un mediu bun pentru formarea radiațiilor X împrăștiate.

Cu radiografie Când este produs pe o masă fără a utiliza o rețea de ecranare, o foaie de cauciuc cu plumb de cea mai mare dimensiune posibilă trebuie plasată sub caseta sau plicul cu film.
Pentru absorbție raze X împrăștiate Se folosesc rețele de screening cu raze X, care absorb aceste raze pe măsură ce ies din corpul uman.

Stăpânirea tehnologiei producerea de raze X la tensiuni crescute pe tubul cu raze X, aceasta este exact calea care ne aduce mai aproape de imaginea ideală cu raze X, adică una în care atât osul, cât și țesutul moale sunt vizibile clar în detaliu.

RĂSPĂSIREA DIFUZĂ A razelor X- împrăștierea razelor X de către materie în direcții pentru care nu se realizează Bragg - Stare de lup.

Într-un cristal ideal, împrăștierea elastică a undelor de către atomi localizați la nodurile periodice. zăbrele, ca urmare, apare doar la un anumit punct. direcții vector Q, care coincid cu direcțiile vectorilor rețelei reciproci G: Q= k 2 -k 1 unde k 1 și k 2 - vectori de undă ai undelor incidente și respectiv împrăștiate. Distribuția intensității de împrăștiere în spațiul rețelei reciproce este un set de vârfuri Laue-Bragg în formă de d la locurile rețelei reciproce. Deplasările atomilor din rețelele perturbă periodicitatea cristalului și interferențele. poza se schimba. În acest caz, în distribuția intensității de împrăștiere, împreună cu maximele (care rămân dacă o rețea periodică medie poate fi identificată într-un cristal distorsionat), apare o componentă netedă. I 1 (Q), corespunzător lui D. r. r. l. pe imperfecțiunile cristalului.

Alături de împrăștierea elastică, D. r. r. l. se poate datora proceselor inelastice însoțite de excitarea subsistemului electronic al cristalului, adică împrăștierea Compton (vezi Efectul Compton) și împrăștierea cu excitație a plasmei (vezi. plasmă în stare solidă). Folosind calcule sau speciale experimente, aceste componente pot fi excluse prin evidențierea D. r. r. l. pe imperfecțiunile cristalului.

În substanțele amorfe, lichide și gazoase, unde nu există o ordine pe distanță lungă, împrăștierea este doar difuză. Distribuția intensității I 1 (Q Q) D. r. r. l. cristal într-o gamă largă de valori Distribuția intensității, corespunzătoare întregii celule unitare a rețelei reciproce sau mai multor celule, conține informații detaliate despre caracteristicile cristalului și imperfecțiunile acestuia. Experimental) poate fi obținută folosind o metodă monocromatică. cu raze X și vă permite să rotiți cristalul în jurul diferitelor axe și să schimbați direcțiile vectorilor de undă Q k 1 , k 2 , care variază, adică pe o gamă largă de valori. Se pot obține informații mai puțin detaliate Metoda Debye - Scherrer.

Într-un cristal perfect D.r.r.l. cauzate numai de deplasări termice şi oscilații zero Q atomi ai rețelei și pot fi asociate cu procesele de emisie și absorbție a unuia sau mai multor. . Pentru mici de bază Imprăștirea unui singur fonon joacă un rol, în care numai fononii cu q =Q-G G, Unde Q-vector reticulat cel mai apropiat de . Intensitatea unei astfel de împrăștieri eu Q 1T (

Unde ) în cazul cristalelor ideale monoatomice este determinată de f-loy N - numărul de celule elementare ale cristalului, f -amplitudinea structurală, - factorul Debye-Waller, t - masa atomica, -frecvente si . vectori de fonon j ramura cu vector de undă q ramura cu vector de undă. La mic ramura cu vector de undă frecvența, adică atunci când se apropie de nodurile rețelei reciproce, aceasta crește cu 1/ ramura cu vector de undă 2. Definirea pentru vectori

, paralel sau perpendicular pe direcțiile , , în cristale cubice, unde frecvențele de oscilație pentru aceste direcții sunt determinate în mod unic de considerente. . Intensitatea unei astfel de împrăștieri 0 (QÎn cristalele neideale, defectele de dimensiuni finite duc la o slăbire a intensităților reflexiilor corecte Distribuția intensității)si catre D.r.r.l. ) la static deplasări și modificări ale amplitudinilor structurale cauzate de defecte ( s

- numărul de celule din apropierea defectului, - tipul sau orientarea defectului). În cristale ușor distorsionate cu o concentrație scăzută de defecte (numărul de defecte din cristal) și

intensitate D.r.r.l. unde și sunt componentele Fourier. Deplasările scad cu distanța unde și sunt componentele Fourier. r ramura cu vector de undă din defect ca 1/ Distribuția intensității 2, drept urmare la mic ramura cu vector de undăși în apropierea nodurilor retice reciproce Distribuția intensității)crește cu 1/ Distribuția intensității 2. Unghi dependenta Distribuția intensității) este diferit calitativ pentru defecte de diferite tipuri și simetrii, precum și valoarea

) este determinată de cantitatea de distorsiune din jurul defectului. Studiu de distribuție ) în cristale care conțin defecte punctiforme (de exemplu, atomi interstițiali și locuri libere în materiale iradiate, atomi de impurități în soluții solide slabe), face posibilă obținerea de informații detaliate despre tipul defectelor, simetria acestora, poziția în rețea, configurația atomilor. formând defectul, tensori dipoli de forțe cu care defectele acționează asupra cristalului. Când se combină defectele punctuale în grupuri, intensitatea ramura cu vector de undă eu 1 în domeniul micului crește puternic, dar se dovedește a fi concentrat în regiuni relativ mici ale spațiului rețelei reciproce din apropierea nodurilor sale și la (

R0

Când înseamnă. concentrații de defecte mari, cristalul este puternic distorsionat nu numai local în apropierea defectelor, ci și în ansamblu, astfel încât în ​​cea mai mare parte a volumului său. Ca urmare, factorul Debye-Waller și intensitatea reflexiilor corecte eu 0 scad exponențial, iar distribuția Distribuția intensității) este rearanjat calitativ, formând vârfuri lărgite ușor deplasate față de nodurile rețelei reciproce, a căror lățime depinde de mărimea și concentrația defectelor. Experimental, ele sunt percepute ca vârfuri Bragg lărgite (cvasilinii pe diagrama Debye), iar în unele cazuri sunt observate modele de difracție. dublete formate din perechi de vârfuri . Intensitatea unei astfel de împrăștieri 0 și ) în cristale care conțin defecte punctiforme (de exemplu, atomi interstițiali și locuri libere în materiale iradiate, atomi de impurități în soluții solide slabe), face posibilă obținerea de informații detaliate despre tipul defectelor, simetria acestora, poziția în rețea, configurația atomilor. formând defectul, tensori dipoli de forțe cu care defectele acționează asupra cristalului.. Aceste efecte apar în aliajele îmbătrânite și materialele iradiate.

În concentrat soluții, cristale ordonate monocomponent, feroelectrice, non-idealitate nu se datorează unor factori separați. defecte și fluctuații. neomogenități de concentrare și interne Distribuția intensității parametrii și ramura cu vector de undă) poate fi considerat convenabil ca împrăștiere prin th. fluctuaţie valul acestor parametri ( q=Q-G)

Unde - numărul de celule elementare ale cristalului,. De exemplu, în soluțiile binare A - B cu un atom pe celulă, neglijând împrăștierea statică. deplasari A și f B -factorii de dispersie atomici ai atomilor A si B, Cu - concentrație - parametri de corelație, - probabilitatea de substituție a unei perechi de noduri separate printr-un vector reticulat O Distribuția intensității, atomi A. După ce s-au determinat Distribuția intensității) în întreaga celulă a rețelei reciproce și prin efectuarea transformării Fourier pot fi găsite f-ții pentru decomp. coordonare sfere Imprăștire statică părtinirile sunt excluse pe baza datelor de intensitate Distribuția intensității) în mai multe celule reticulare reciproce. - concentrație - parametri de corelație, - probabilitatea de substituție a unei perechi de noduri separate printr-un vector reticulat Distribuții ) poate fi folosit și direct. determinarea energiilor de ordonare a soluţiei pentru diferite

în modelul interacţiunii perechilor şi termodinamica acesteia. caracteristici. Caracteristicile D.r.r.l. metalic soluţiile au făcut posibilă dezvoltarea difracţiei. metoda de cercetare

suprafață de ferme Difuzarea neutronilor inelastice).

Lit.: James R., Principiile optice ale difracției de raze X, trad. din engleză, M., 1950; Iveronova V.I., Revkevich G.P., Theory of X-ray scattering, ed. a II-a, M., 1978;

Iveronova V.I., Katsnelson A.A., Short-range order in solid solutions, M., 1977; Cowley J., Fizica difracției, trad. din engleză, M., 1979; Krivoglaz M A., Difracția razelor X și a neutronilor în cristale neideale, K., 1983; de el, Diffuse scattering of X-rays and neutrons on fluctuation inhomogeneities in nonideal crystals, K., 1984..

M. A. Krivoglaz

Spre deosebire de multe speculații despre structura atomului care erau larg răspândite la acea vreme, modelul lui Thomson s-a bazat pe fapte fizice care nu numai că justificau modelul, dar dădeau și anumite indicații ale numărului de corpusculi dintr-un atom. Primul astfel de fapt este împrăștierea razelor X sau, după cum a spus Thomson, apariția razelor X secundare. Thomson vede razele X ca pulsații electromagnetice. Când astfel de pulsații cad asupra atomilor care conțin electroni, electronii, intrând în mișcare accelerată, emit așa cum este descris de formula Larmor. Cantitatea de energie emisă pe unitatea de timp de electronii aflați într-o unitate de volum va fi

unde N este numărul de electroni (corpusculi) per unitate de volum. Pe de altă parte, accelerația electronilor

unde E r este intensitatea câmpului radiației primare. În consecință, intensitatea radiației împrăștiate

Deoarece intensitatea radiației incidente conform teoremei lui Poynting este egală cu

apoi raportul dintre energia împrăștiată și energia primară Charles Glover Barcla

În timp ce studia împrăștierea razelor X din atomii de lumină, Barcla în 1904 a descoperit că natura razelor secundare era aceeași cu a celor primare. Pentru raportul dintre intensitatea radiației secundare și a radiației primare, a găsit o valoare independentă de radiația primară și proporțională cu densitatea substanței:

Din formula lui Thomson

Dar densitatea = n A / L, unde A este greutatea atomică a atomului, n este numărul de atomi din 1 cm 3, L este numărul lui Avogadro. Prin urmare,

Dacă punem numărul de corpusculi dintr-un atom egal cu Z, atunci N = nZ și

Dacă înlocuim valorile lui e, m, L în partea dreaptă a acestei expresii, vom găsi K. În 1906, când numerele e și m nu erau cunoscute cu precizie, Thomson a descoperit din măsurătorile lui Barkle pentru aer că Z = A, adică numărul de corpusculi dintr-un atom este egal cu greutatea atomică. Valoarea K obținută pentru atomii ușori de către Barkle în 1904 a fost K = 0,2. Dar în 1911, Barkla, folosind datele actualizate ale lui Bucherer pentru e / m, valorile lui e și L obținute RutherfordŞi Geiger, primit K = 0,4și, prin urmare, Z = 1/2. După cum sa dovedit puțin mai târziu, această relație se menține bine în regiunea nucleelor ​​ușoare (cu excepția hidrogenului).

Teoria lui Thomson a ajutat la clarificarea unui număr de probleme, dar a lăsat și mai multe întrebări nerezolvate. Lovitura decisivă adusă acestui model a fost dată de experimentele lui Rutherford din 1911, despre care vor fi discutate mai târziu.

Un model de inel similar al atomului a fost propus în 1903 de un fizician japonez Nagaoka. El a sugerat că în centrul atomului există o sarcină pozitivă, în jurul căreia se învârt inele de electroni, ca inelele lui Saturn. El a reușit să calculeze perioadele de oscilații efectuate de electroni cu deplasări ușoare pe orbitele lor. Frecvențele obținute în acest fel descriu mai mult sau mai puțin aproximativ liniile spectrale ale unor elemente *.

* (De asemenea, trebuie menționat că modelul planetar al atomului a fost propus în 1901. J. Perrin. El a menționat această încercare în prelegerea sa Nobel, susținută la 11 decembrie 1926.)

La 25 septembrie 1905, la cel de-al 77-lea Congres al Naturaliştilor şi Medicilor Germani, V. Wien a făcut un raport despre electroni. În acest raport, apropo, el a spus următoarele: „Explicarea liniilor spectrale reprezintă, de asemenea, o mare dificultate pentru teoria electronică, deoarece fiecărui element îi corespunde o anumită grupare de linii spectrale pe care le emite în stare de luminiscență. fiecare atom trebuie să reprezinte un sistem neschimbător Prin urmare, suntem forțați să apelăm la un sistem în care electronii se află în repaus relativ sau au viteze neglijabile - un concept care conține o mulțime de lucruri îndoielnice.

Aceste îndoieli au crescut și mai mult pe măsură ce au fost descoperite noi proprietăți misterioase ale radiațiilor și atomilor.