Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи (далее Р) рентгеновское излучение, электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10-4 до 103  (от 10-12 до 10-5 см). Р с длиной волны l < 2  условно называются жесткими, с l > 2  — мягкими. Р открыты в 1895 В. К. Рентгеном и названы им Х-лучами (этот термин применяется во многих странах). В течение 1895—97 Рентген исследовал свойства Р и создал первые рентгеновские трубки. Он обнаружил, что жесткие Р проникают через различные материалы и мягкие ткани человеческого тела (это свойство Р быстро нашло применение в медицине). Открытие Р привлекло внимание ученых всего мира, и уже в 1896 было опубликовано свыше 1000 работ по исследованиям и применениям Р Электромагнитная природа Р была предсказана Дж. Стоксом и экспериментально подтверждена Ч. Баркла, открывшим их поляризацию. В 1912 нем. физики М. Лауэ, В. Фридрих и П. Книппинг обнаружили дифракцию Р на решетке (см. Дифракция рентгеновских лучей). В 1913 Г. В. Вульф и независимо от него У. Л. Брэгг нашли простую зависимость между углом дифракции, длиной волны Р и расстоянием между соседними параллельными плоскостями (см. Брэгга — Вульфа условие). Эти работы послужили основой для рентгеновского структурного анализа. В 20-х гг. началось применение рентгеновских спектров для элементного анализа материалов, а в 30-х гг. — к исследованию электронной энергетической структуры вещества. В СССР в развитии исследований и применении Р большую роль сыграл Физико-технический институт, основанный А. Ф. Иоффе.

  Источники Р. л. Наиболее распространенный источник Ррентгеновская трубка. В качестве источников Р могут служить также некоторые радиоактивные изотопы: одни из них непосредственно испускают Р, ядерные излучения других (электроны или a-частицы) бомбардируют металлическую мишень, которая испускает Р Интенсивность рентгеновского излучения изотопных источников на несколько порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки, но габариты, вес и стоимость изотопных источников несравненно меньше, чем установки с рентгеновской трубкой.

  Источниками мягких Р с l порядка десятков и сотен  могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв. По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2—3 порядка.

  Естественные источники Р — Солнце и другие космические объекты.

  Свойства Р. л. В зависимости от механизма возникновения Р их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в результате их торможения при взаимодействии с мишени (см. Тормозное излучение); этот спектр достигает значительной интенсивности лишь при бомбардировке мишени электронами. Интенсивность тормозных Р распределена по всем частотам до высокочастотной границы n0, на которой энергия фотонов hn0(h — Планка постоянная) равна энергии eV бомбардирующих электронов (е — заряд электрона, — разность потенциалов ускоряющего поля, пройденная ими). Этой частоте соответствует коротковолновая граница спектра l0 = hc/eV (с — скорость света).

  Линейчатое излучение возникает после ионизации с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения с быстрой частицей, например электроном (первичные Р), или поглощения фотона (флуоресцентные Р). Ионизованный оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10-16—10-15 сек переходит в конечное состояние с меньшей энергией. При этом избыток энергии может испустить в виде фотона определенной частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты n линий этого спектра от номера Z определяется Мозли законом:  = AZ + В, где А и В — величины, постоянные для каждой линии спектра.

  Тормозное рентгеновское излучение, испускаемое очень тонкими мишенями, полностью поляризовано вблизи n0; с уменьшением n степень поляризации падает. Характеристическое излучение, как правило, не поляризовано.

  При взаимодействии Р с веществом может происходить фотоэффект, сопровождающее его поглощение Р и их рассеяние, фотоэффект наблюдается в том случае, когда поглощая рентгеновский фотон, выбрасывает один из своих внутренних электронов, после чего может совершить либо излучательный переход, испустив фотон характеристического излучения, либо выбросить второй электрон при безызлучательном переходе (оже-электрон). Под действием Р на неметаллические (например, на каменную соль) в некоторых узлах решетки появляются ионы с дополнительным положительным зарядом, а вблизи них оказываются избыточные электроны. Такие нарушения структуры называемые рентгеновскими экситонами, являются центрами окраски и исчезают лишь при значительном повышении температуры.

  При прохождении Р через слой вещества толщиной х их начальная интенсивность 0 уменьшается до величины = 0e-mx где m — коэффициент ослабления. Ослабление происходит за счет двух процессов: поглощения рентгеновских фотонов веществом и изменения их направления при рассеянии. В длинноволновой области спектра преобладает поглощение Р, в коротковолновой — их рассеяние. Степень поглощения быстро растет с увеличением Z и l. Например, жесткие Р свободно проникают через слой воздуха ~ 10 см; пластинка в 3 см толщиной ослабляет Р с l = 0,027  вдвое; мягкие Р значительно поглощаются в воздухе и их использование и исследование возможно лишь в вакууме или в слабо поглощающем газе (например, Не). При поглощении Р вещества ионизуются.

  Влияние Р на живые организмы может быть полезным и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях. Поскольку поглощение Р зависит от l, интенсивность их не может служить мерой биологического действия Р Количественным учетом действия Р на вещество занимается рентгенометрия, единицей его измерения служит рентген.

  Рассеяние Р в области больших Z и l происходит в основном без изменения l и носит название когерентного рассеяния, а в области малых Z и l, как правило, возрастает (некогерентное рассеяние). Известно 2 вида некогерентного рассеяния Р — комптоновское и комбинационное. При комптоновском рассеянии, носящем характер неупругого корпускулярного рассеяния, за счет частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки вылетает электрон отдачи (см. Комптона эффект). При этом уменьшается энергия фотона и изменяется его направление; изменение l зависит от угла рассеяния. При комбинационном рассеянии рентгеновского фотона высокой энергии на легком небольшая часть его энергии тратится на ионизацию и меняется направление движения фотона. Изменение таких фотонов не зависит от угла рассеяния.

  Показатель преломления n для Р отличается от 1 на очень малую величину d = 1—n " 10-6—10-5. Фазовая скорость Р в среде больше скорости света в вакууме. Отклонение Р при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут). При падении Р из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.

  Регистрация Р. л. Глаз человека к Р не чувствителен. Р регистрируют с помощью специальной рентгеновской фотопленки, содержащей повышенное количество . В области l < 0,5  чувствительность этих пленок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к пленке флуоресцирующим экраном. В области l > 5  чувствительность обычной позитивной фотопленки достаточно велика, а ее зерна значительно меньше зерен рентгеновской пленки, что повышает разрешение. При l порядка десятков и сотен  Р действуют только на тончайший поверхностный слой фотоэмульсии; для повышения чувствительности пленки ее сенсибилизируют люминесцирующими маслами (см. Сенсибилизация). В рентгенодиагностике и дефектоскопии для регистрации Р иногда применяют электрофотографию (электрорентгенографию).

  Р больших интенсивностей можно регистрировать с помощью ионизационной камеры, Р средних и малых интенсивностей при l < 3  — сцинтилляционным счетчиком с (), при 0,5 < l < 5 Гейгера — Мюллера счетчиком и отпаянным пропорциональным счетчиком, при 1 < l < 100 — проточным пропорциональным счетчиком, при l < 120 полупроводниковым детектором. В области очень больших l (от десятков до 1000 ) для регистрации Р могут быть использованы вторично-электронные умножители открытого типа с различными фотокатодами на входе.

  Применение Р. л. Наиболее широкое применение Р нашли в медицине для рентгенодиагностики и рентгенотерапии. Важное значение для многих отраслей техники имеет рентгеновская дефектоскопия, например для обнаружения внутренних пороков отливок (раковин, включений шлака), трещин в рельсах, дефектов сварных швов.

  Рентгеновский структурный анализ позволяет установить пространственное расположение в решетке минералов и соединений, в неорганических и органических молекулах. На основе многочисленных уже расшифрованных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен состав этого вещества, т. е. выполнен фазовый анализ (см. Дебая — Шеррера метод). Многочисленными применениями Р для изучения свойств твердых тел занимается рентгенография материалов.

  Рентгеновская микроскопия позволяет, например, получить изображение клетки, микроорганизма, увидеть их внутреннее строение. Рентгеновская спектроскопия по рентгеновским спектрам изучает распределение плотности электронных состояний по энергиям в различных веществах, исследует природу связи, находит эффективный заряд ионов в твердых телах и молекулах. Спектральный анализ рентгеновский по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургических и цементных заводах, обогатительных фабриках. При автоматизации этих предприятий применяются в качестве датчиков состава вещества рентгеновские спектрометры и квантометры (см. Спектральная аппаратура рентгеновская).

  Р, приходящие из космоса, несут информацию о составе космических тел и о физических процессах, происходящих в космосе. Исследованием космических Р занимается рентгеновская астрономия. Мощные Р используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации материалов, крекинга органических веществ. Р применяют также для обнаружения старинной живописи, скрытой под слоем поздней росписи, в пищевой промышленности для выявления инородных предметов, случайно попавших в пищевые продукты, в криминалистике, археологии и др.

  Лит.: Блохин М. А., Физика рентгеновских лучей, 2 изд., М., 1957; его же, Методы рентгено-спектральных исследований, М., 1959; Р. Сб. под ред. М. А. Блохина, пер. с нем. и англ., М., 1960; Хараджа Ф., Общий курс рентгенотехники, 3 изд., М. — Л., 1966; Миркин Л. И., Справочник по рентгено-структурному анализу поликристаллов, М., 1961; Вайнштейн Э. Е., Кахана М. М., Справочные таблицы по рентгеновской спектроскопии, М., 1953.

  М. А. Блохин.

 


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 25.06.2022 22:42:31