Природа рентгеновского излучения тормозное излучение

1. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа.

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны длиной = 80 до 10 -5 нм.

Наиболее длинноволновые излучения перекрываются коротковолновым УФ. По способу получения подразделяются на тормозное и характеристическое.

Механизм тормозного рентгеновского излучения.

Излучение, получаемое в рентгеновской трубке и бетатроне, возникает при торможении электронов в металлической преграде – тормозное рентгеновское излучение. С движением электр зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении магнитная индукция уменьшается и появляется электромагнитная волна. При торможении электрона часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. При торможение ↑ кол-ва электронов, возникает рентгеновское излучение с непрерывным спектром. Спектр волны показывает, как распределена энергия по значению длин волн λ. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствует λ_min, возникает, когда энергия, приобретенная электроном, в ускоряющем поле переходит в энергию фотона

еU=hυ_max=hc/λ_min

λ_min – минимальная длина волны, 10 -10 м

Поток рентгеновского излучения: Ф=kIU 2 Z

Z – порядковый номер атома вещества антикатода

K – 10 -9 В -1 – коэффициент пропорциональности.

Характеристическое рентгеновское излучение.

Возникает вследствие проникновения ускоренных электронов вглубь атома и вытеснение ими электронов из внутренних слоев. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Характеристические спектры разных атомов однотипны, не зависят от химического соединения. Возникает при наличии свободного места во внутренних слоях атома, не зависимо от причины, которая его вызвала.

2. Способы получения рентгеновского излучения: рентгеновская трубка, бетатрон.

«+»

« – »

Фокусирующий Рентгеновские вакуумная камера

Нить накала имеет t o поверхности 2000-2500 К, при которой электроны вырываются из нити (явление термоэлектронной эмиссии), эти электроны подхватываются электрическим полем: напряжение, создаваемое высоковольтным источником между катодом и анодом, может регулироваться. Фокусирующий электрод находится в контакте с нитью накаливания. Его задача – искривить силовые линии, чтобы электроны образовали узкий пучок. Антикатод изготовляется из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), торможение электронов сопровождается появлением рентгеновского излучения. Сила тока не велика, определяется числом электронов, вырвавшихся из рентгеновской трубки за сек времени.

Бетатрон – ускоритель электронов. Получаемый в нем поток быстрых электронов направляется на мишень, на которой при торможении электронов возникает поток жесткого рентгеновского излучения. При помощи усиления магнитного поля электроны удерживаются на круговой орбите. Основной объем и масса ускорителя приходятся на обмотки электромагнитов и их ферромагнитные сердечники. Разгон электронов в вакуумно й тороидальной камере.

Тороидальная камера находится в магнитном поле. Если на ось камеры выведен пучок электронов и магнитное поле начинает усиливаться, то происходит явление электромагнитной индукции, и возникает вихрь электромагнитного поля. На электроны действует сила: F=eE, направленная по касательной к оси камеры и разгоняющая их. Также на электрон действует сила Лоренса:F=eVB, направленная в центр камеры. СилаFудерживает электроны на оси камеры. Электроны во время всего цикла разгона остаются на неизменной орбите.

Источник

Лекция рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длинной от 80 до 10 –5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое – длинноволновым -излучением. Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. рис.1. К – катод А – анод 1 – пучок электронов 2 –рентгеновское излучение Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки. Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом: давление в ней порядка 10 –6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое напряжение U (несколько тысяч вольт). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при бомбардировке электронов. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама). Сильный разогрев анода обусловлен тем, что основное количество электронов в катодном пучке, попав на анод, испытывает многочисленные столкновения с атомами вещества и передает им большую энергию. Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий. Кинетическая энергия электрона равна mv 2 /2. Она равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электростатическом поле трубки: mv 2 /2 = eU (1) где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение. Процессы приводящие к возникновению тормозного рентгеновского излучения обусловлены интенсивным торможением электронов в веществе анода электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов. Механизм возникновения можно представить следующим образом. Движущиеся электроны – это некоторый ток, образующий свое магнитное поле. Замедление электронов – снижение силы тока и, соответственно, изменение индукции магнитного поля, которое вызовет возникновение переменного электрического поля, т.е. появление электромагнитной волны. Таким образом, когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою энергию и скорость и излучает электромагнитные волны.

Спектральные свойства тормозного рентгеновского излучения.

Итак, в случае торможения электрона в веществе анода возникает тормозное рентгеновское излучение.Спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным. Причина этого в следующем. При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е₁ = Q), другая часть на создание фотона рентгеновского излучения (Е₂ = hv), иначе, eU = hv + Q. Соотношение между этими частями случайное. Таким образом, непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения образуется благодаря торможению множества электронов, каждый из которых испускает один квант рентгеновского излучения hv (h) строго определенной величины. Величина этого кванта различна для разных электронов. Зависимость потока энергии рентгеновского излучения от длины волны , т.е. спектр рентгеновского излучения представлен на рис.2. Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода. Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны _min. Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0): eU = hv_max = hc/_min, _min = hc/(eU), (2) _min(нм) = 1,23/UкВ Спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение _min смещается в сторону коротких длин волн (рис. 2a). При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б). Поток энергии Ф  тормозного излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода: Ф = kZU 2 I. (3) где k = 10 –9 Вт/(В 2 А).

Источник

2. Рентгеновское излучение. Физическая природа. Тормозное излучение, ( Тормозное рентгеновское излучение, механизм его возникновения. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Рентгеновским излучением называют электромагнит­ные волны с длиной приблизительно от 80 до 10~ 5 нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым у-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор. Подогревный катод / испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом. В результате торможения электрона частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение. Механизм его можно пояснить сле­дующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индук­ция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют также и сплошным.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение ^_min возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое — мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения и увеличивают жесткость.

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится.

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле Ф=kIU²Z

Характеристическое рентгеновское излучение.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению.

Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаов для О, СЬ и НгО, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием и для названия характеристическое.

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала.

1. Законы преломления. Рефрактометр. ( Законы преломления. Абсолютный и относительный показатели преломления света. Переход света из среды более плотной в среду менее плотную, Явление полного внутреннего отражения. Предельный угод полного внутреннего отражения. Физические основы рефрактометрии. Рефрактометр, назначение и принцип действия. Его применение для определения концентрации раствора),

Источник