Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Лучи рентгена

Открытие рентгеновых лучей

В 1895 г. немецкий ученый лауреат Нобелевской премии Вильгельм Рентген открыл лучи, названные впоследствии его именем, которые сыграли огромную роль в развитии атомной физики и неисчислимо много добавили к нашим знаниям о строении атома. Открытие было сделано Рентгеном в связи с проводившимся им изучением электрического разряда в газах. Работая во время эксперимента с разрядной трубкой, он заметил флуоресценцию удаленного от нее экрана; как он установил, флуоресценция вызывалась излучением, способным проникать сквозь непрозрачные вещества.

Использование открытых Рентгеном лучей не ограничивается физической лабораторией. Почти сразу после открытия физики применили их как вспомогательное средство при установлении медицинского диагноза, особенно в терапии.

В промышленности они используются при изучении свойств и внутреннего строения материалов, а также при проверке отливок на наличие дефектов.

Другими словами, рентгеновы лучи получили полное признание.

Получение рентгеновых лучей

Рентгеновы лучи возникают всегда, когда поток электронов падает на какое-либо вещество.

Для их получения обычно применяются три основных типа рентгеновских трубок. В одной из ранних конструкций (рис. 1) используются электроны,

выбиваемые из катода С газоразрядной трубки низкого давления бомбардирующими его положительными ионами, движущимися под действием разности потенциалов между электронной мишенью Т и катодом. Освободившиеся электроны, известные также под названием катодных лучей, можно сфокусировать в любой желательной области мишени, изогнув соответственно катод, поскольку катодные лучи вылетают с катода перпендикулярно к его поверхности. Если разность потенциалов между мишенью и катодом обозначить через V, то электроны будут достигать мишени, обладая энергией Ve, где е — заряд электрона. Таким образом, в трубке этого типа источником рентгеновых лучей становится мишень Т. Эти трубки обычно работают при напряжениях примерно от 30 ООО до 50 ООО в.

В трубке второго типа (рис. 2) источником электронов служит нагретая нить накала, находящаяся в условиях предельно высокого вакуума. Питание нити накала осуществляется от батареи или понижающего трансформатора. Нить обычно окружают металлическим колпачком, форму которого выбирают в соответствии с требуемыми условиями фокусировки пучка электронов. Одним из главных преимуществ такой конструкции является более легкое управление током и напряжением. Между выводами трубки прикладывается высокое напряжение, ускоряющее электроны в сторону мишени, которая при этом становится источником рентгеновых лучей. Такие трубки, иногда называемые рентгеновскими трубками Кулиджа, работают при напряжениях от нескольких сот до миллиона вольт. Чем выше напряжение, приложенное к трубке, тем больше проникающая способность возникающих рентгеновых лучей.

Третьей разновидностью рентгеновской трубки является устройство, называемое бетатроном, разработанное в 1941 г. Д. Керстом. Бетатрон широко используется там, где требуются рентгеновы лучи огромной проникающей способности. Он состоит из торообразной вакуумной камеры, помещенной между полюсами большого электромагнита. Электроны от нагретой нити накала ускоряются под действием небольшого потенциала, поданного на сетку. Перпендикулярно пути электронов приложено переменное магнитное поле, под действием которого электроны двигаются по круговому пути радиуса R, Поскольку величина поля меняется, возникает электродвижущая сила индукции, ускоряющая электроны, так как она направлена по касательной к их круговому пути. Полюсным наконечникам магнита придана такая форма, чтобы в каждый момент времени магнитное поле имело конфигурацию, удерживающую движущиеся электроны на одной и той же круговой орбите.

Ускоряющее магнитное поле создается электромагнитом, катушки которого питаются переменным током с частотой 60 герц (гц)¹. Электроны впрыскиваются внутрь трубки в течение очень короткого времени в начале периода переменного тока и затем двигаются по круговой орбите, пока магнитное поле не достигнет через 1/240 сек своего максимального значения. За эту четверть периода каждый электрон совершает несколько сотен тысяч оборотов, приобретая при каждом обороте дополнительную энергию. Когда энергия электрона достигнет максимальной величины, включают ток через ряд дополнительных катушек; при этом магнитное поле изменяется, электрон начинает двигаться по орбите большего радиуса и ударяется в заднюю сторону пластины, служащей мишенью, которая испускает рентгеновы лучи.

В настоящее время на бетатронах достигаются энергии электронов до 300 Мэе. Чтобы достичь еще больших энергий, были разработаны несколько измененные конструкции бетатронов. Замечательным свойством бетатрона как рентгеновской трубки является то, что рентгеновы лучи выходят из мишени в направлении вперед, вместо того чтобы испускаться во всех направлениях. Действительно, они сосредоточены в пределах малого угла — от 2 до 15° по отношению к направлению вперед. При соответствующем изменении конструкции бетатрона электроны высокой энергии можно вывести из камеры и использовать их для изучения атомных и ядерных процессов.

Некоторые свойства рентгеновых лучей

Рентгеновы лучи невидимы для глаза. Однако их можно регистрировать по вызываемому ими почернению фотопластинок или по ионизации, которую они производят, проходя сквозь газ или пар. Интенсивность рентгеновых лучей можно измерять по образуемой ими ионизации в специально сконструированной ионизационной камере. Рентгеновы лучи попадают в камеру через тонкое окошко W из слюды или алюминия и ионизируют находящийся в камере газ. Разность потенциалов, приложенная между стержнем R и цилиндром С, заставляет двигаться образовавшиеся ионы. Движение ионов — это не что иное, как электрический ток через камеру. Хотя он очень мал, его можно измерить электрометром Е или сначала усилить при помощи дополнительного усиливающего устройства, собранного на радиолампах, а затем измерить гальванометром.

Рентгеновы лучи могут также проникать сквозь вещества различной толщины, в том числе сквозь вещества, непрозрачные для видимого излучения. При этом часть рентгеновых лучей поглощается, их энергия переходит в другие формы. Но некоторое количество рентгеновых лучей проходит насквозь; его можно зарегистрировать и измерить. Количество поглощенной энергии зависит от атомного номера вещества, от его плотности и толщины и от длины волны пропускаемых рентгеновых лучей. Если пучок рентгеновых лучей проходит сквозь среду, состоящую из различных веществ, то при помощи фотографии можно выяснить природу этих веществ и их расположение внутри данной среды.

Возникновение и природа рентгеновых лучей

В каждой рентгеновской трубке рентгеновы лучи возникают при бомбардировке мишени электронами. С микроскопической или субатомной точки зрения, всякая мишень состоит из атомов, построенных из положительно заряженных ядер, окруженных электронами. Когда движущийся электрон попадает на мишень, возникают силы, действующие на эти заряды. В некоторых случаях эти силы вызывают колебания зарядов, в других — приводят к отделению электронов от атомов, т. е. к образованию ионов. При этих процессах электроны передают энергию атомным частицам. Часть этой энергии превращается внутри мишени в тепло, другая часть ее излучается атомами мишени в виде электромагнитных волн.

При Движении падающего электрона через мишень он сам находится под воздействием сил и испытывает ускорение. Последнее может носить характер изменения скорости, перемены направления движения или того и другого одновременно. Из теории электромагнетизма мы знаем, что ускоряющийся заряд излучает энергию в виде электромагнитных волн. Следовательно, падающий электрон тоже должен терять энергию, излучая электромагнитные волны.

Скорость, с которой заряд излучает энергию, зависит от квадрата величины этого заряда е² и от квадрата его ускорения а², если скорость заряда мала по сравнению со скоростью света. Можно, таким образом, ожидать, что рентгеновы лучи по своей природе аналогичны другим электромагнитным волнам, таким как свет и радиоволны, но, повидимому, обладают много меньшей длиной волны. Это излучение можно разделить на две части, одна из которых зависит от энергии и характера движения первичных электронов, а другая — от природы атомов, входящих в состав мишени. Волновой характер движения можно установить только по явлениям интерференции и дифракции. В самых ранних опытах по дифракции, выполненных в 1899г., рентгеновы лучи пропускались через узкую щель между двумя кусками свинца и попадали на фотопластинку. На пластинке возникала какая-то дифракционная картина, однако имевшиеся в то время приборы не обладали достаточной разрешающей способностью, чтобы различить темные и светлые полосы этой картины. В лучшем случае можно было сказать, что если рентгеновы лучи являются волнами, то их длины волн чрезвычайно коротки; они составляют около 10 в - 8 или 10 в - 9 см.

В дифракционных опытах с видимым светом расстояния между штрихами дифракционной решетки близки по величине к длинам волн света. Но известно, что расстояния между атомами и молекулами в кристаллах составляют около 10 в -8 см и что эти атомы и молекулы образуют правильную кристаллическую структуру.

В 1912 г. М. фон Лауэ высказал предположение, что кристаллы могут удовлетворять всем условиям, необходимым для осуществления дифракции рентгеновых лучей, т. е. обычные кристаллы можно использовать в качестве дифракционных решеток. В эксперименте, который Лауэ провел со своими сотрудниками, он пропустил узкий пучок рентгеновых лучей сквозь кристалл на фото-пластинку. На ней он увидел отчетливую дифракционную картину. Это было первое убедительное доказательство волновой природы рентгеновых лучей.

Дифракция и интерференция рентгеновых лучей

Из опытов Лауэ и его сотрудников следовало, что рентгеновы лучи имеют ту же электромагнитную волновую природу, что и свет и радиоволны, но обладают очень короткими длинами волн. Когда пучок лучей пропускается сквозь небольшой тонкий кристалл каменной соли, на облучаемой фотопластинке возникает ряд небольших пятен, образующих упорядоченную картину. Эта картина является дифракционной. Она возникает благодаря правильному расположению ионов внутри кристалла; в этом случае кристалл служит трехмерной решеткой. Дифракционная картина на фотопластинке носит название лауэграммы. По распределению и интенсивности пятен на ней можно сделать заключение о расположении ионов в кристалле.

Несколько иное относительное размещение пучка рентгеновых лучей и кристалла, примененное У. Г. Брэггом, позволяет получить более простую, легче интерпретируемую картину. По этой схеме рентгеновы лучи, идущие от мишени Т рентгеновской трубки, проходят через две узкие щели и S2 и попадают на переднюю часть кристалла С, установленного на столике спектрометра. Кристалл рассеивает рентгеновы лучи во всех направлениях, но фотопластинка Р установлена так, что на нее попадают лишь лучи, идущие от передней части кристалла. Угол θ между первичным пучком и поверхностью кристалла можно медленно менять, поворачивая кристалл. Фотография показывает ряд резких линий, расположенных на непрерывном фоне.

Вместо фотопластинки можно применить ионизационную камеру. В этом случае камера измеряет интенсивность рентгеновых лучей, попадающих в нее. Если перед окошком камеры поставить узкую щель, то интенсивность рентгеновых лучей, идущих от кристалла, достигнет максимума, когда их пучок образует угол θ с поверхностью кристалла. Поэтому иногда пучок называют «отраженным» от кристалла.

Г.Семат, Г.Э. Уайт - Физика атомного века /
Перевод с английского А.В.Давыдова

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
Яндекс.Метрика