Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 56. Рентгенівське випромінювання

Відкриття і властивості рентгенівського випромінювання. Наприкінці ХІХ ст. загальну увагу фізиків привернув газовий розряд під малим тиском. У газорозрядній трубці виникав потік частинок невідомої природи. Оскільки промені випромінювались із катода трубки, їх називали катодними. Пізніше було з’ясовано, що катодні промені — це потік електронів.

Іван Павлович Пулюй (1845-1918) народився в місті Гримайлові на Тернопільщині. За своє життя Пулюй написав понад 50 робіт на наукові, суспільно-політичні та соціальні теми, які були тісно пов’язані із ситуацією в Україні. Значним доробком є його праці з дослідження «Х-променів», які вразили науковий світ того часу.

Досліджували катодні промені Іван Пулюй та Вільям Рентген. Пулюй досліджував катодні промені за 10 років до відкриття Рентгена. Він помітив, що фотопластинка поблизу газорозрядної трубки засвічувалась навіть тоді, коли трубка була обгорнута чорним папером. Таким чином, йому вдалося встановити, що невідомі промені, які виникають під час роботи трубки, здатні виходити за її межі. Якщо між трубкою та фотопластинкою розташовували якийсь предмет, невідомі промені проникали крізь нього й засвічувати фотопластинку. У такий спосіб до 1890 р. Пулюй отримав «фотографії» скелета жаби та дитячої руки, що були опубліковані в журналах Європи. Зі своїми працями І. Пулюй ознайомив В. Рентгена, який і запатентував відкриття. Рентген назвав ці промені невідомої природи Х-променями. Ця назва збереглася донині в англомовній та франкомовній науковій літературі, увійшовши в мови багатьох народів світу. У нашій країні ми частіше використовуємо назву рентгенівські промені, хоча доцільно їх назвати пулюївські промені.

Рентгенівські промені утворюються під час гальмування швидких електронів. Навколо потоку цих електронів існує магнітне поле, оскільки напрямлений рух електронів є електричним струмом. У момент зіткнення з перешкодою й різкого гальмування електрона його магнітне поле швидко змінюється, і в простір випромінюється електромагнітна хвиля, довжина якої тим менша, що більша швидкість електрона до зіткнення.

Рентгенівські промені добувають за допомогою спеціальних двохелектродних ламп (мал. 238), на які подається висока напруга порядку 50-200 кВ. Принцип дії рентгенівської трубки такий. Електрони, що їх випускає розжарений катод рентгенівської трубки, прискорюється потужним електричним полем у просторі між анодом і катодом і з великою швидкістю зіткнуться з анодом. До того ж з поверхні анода випромінюється рентгенівські промені, які виходить назовні крізь скло трубки.

Мал. 238. Рентгенівські трубки: а — схематичне зображення; б — зовнішній вигляд

Якщо ж електрони в прискорюючому полі набувають достатньої швидкості, щоб проникнути всередину атомів речовини анода й вибити один з електронів його внутрішнього шару, то на його місце переходить електрон з віддаленішого шару з випромінюванням кванта великої енергії.

Отже, рентгенівські промені виникають внаслідок гальмування швидких електронів у речовині та випромінюються під час енергетичних переходів електронів між рівнями внутрішніх оболонок атома.

Рентгенівські промені розрізняють за їх жорсткістю: що коротшою є довжина хвилі рентгенівських променів, то жорсткіші вони.

Важливою особливістю рентгенівських променів є їхня висока проникна здатність. Що жорсткіші рентгенівські промені, то слабше вони поглинаються і вища їхня проникна здатність. Поглинання рентгенівських променів речовиною залежить від її природи. Добре поглинають рентгенівські промені атоми важких елементів, незалежно від того, до складу яких хімічних речовин вони входять.

Як і будь-які електромагнітні хвилі, рентгенівські промені не відхиляються в електричному й магнітному полях. Вони майже не заломлюються, переходячи з одного середовища в інше. Цю властивість разом з їх високою проникною здатністю використовують із практичною метою в медицині, техніці, виробництві.

Довгий час після відкриття рентгенівських променів не вдавалося встановити їх хвильові властивості — спостерігати їх дифракцію та виміряти довжину хвилі. Усі спроби використати дифракційні ґратки, призначені для подібних досліджень, не давали жодних результатів. У 1912 р. німецький фізик Макс фон Лауе запропонував використати для спостереження дифракції рентгенівських променів природні кристали (мал. 239). Досліди показали, що вузький пучок рентгенівських променів, пройшовши крізь кристал, дає на екрані або фотоплівці складну дифракційну картину. За нею визначають структуру речовини — розташування атомів у кристалах даної речовини.

Мал. 239. Дифракційна картина від кристалу кухонної солі

Вивчення дифракційної картини, утвореної під час використання кристала кам’яної солі, дало змогу визначити довжину хвилі рентгенівського випромінювання, оскільки відстань між вузлами кристалічних ґраток цієї речовини відома. Було з’ясовано, що довжина хвилі рентгенівський променів в десятки й сотні разів менша від довжини хвилі видимого світла. Стало зрозуміло, чому оптичні дифракційні ґратки не давали потрібних результатів.

Рентгенівське випромінювання — електромагнітне випромінювання, що має частоту від 3 • 1017 до 3 • 1019 Гц (відповідно довжина хвилі у вакуумі — 10-9-10-11 м).

Досліди з дифракції рентгенівського випромінювання допомогли підтвердити гіпотезу де Бройля щодо хвильових властивостей частинок.

Рентгенівські спектри. Розглянемо особливості спектра випромінювання рентгенівської трубки. Вигляд типового рентгенівського спектра наведено на малюнку 240. Як видно з малюнка, рентгенівський спектр — це неперервний спектр, який обмежується граничною довжиною хвилі λ0 та має характерні максимуми, що накладаються на неперервний спектр.

Мал. 240. Рентгенівський спектр

Якщо енергія електронів, що бомбардують анод, не дуже велика, то спостерігається лише гальмівне випромінювання, саме воно має неперервний спектр, обрізаний на довжині хвилі λ0, яка залежить лише від прикладеної до трубки напруги. З підвищенням напруги неперервний спектр і його гранична довжина хвилі будуть зміщуватись ліворуч.

Якщо ж енергія електронів достатня для виривання електронів із внутрішніх оболонок атомів речовини анода, то виникають характерні лінії. Їх положення не змінюється зі зміною напруги. Це свідчить про те, що частота цих ліній залежить від природи речовини, з якої виготовлено електрод (тому випромінювання називають характеристичним). Природу лінійчатого спектра характеристичного рентгенівського випромінювання можна зрозуміти, виходячи з уявлень про будову атома. Кількість електронів в атомі визначається зарядом їхнього ядра. Згідно з положеннями квантової механіки, ці електрони можуть мати лише певні дискретні значення енергії, розташовуючись на певних орбіталях. Зовнішні електрони атомів визначають їхні хімічні властивості та оптичні спектри. Електрони внутрішніх оболонок обертаються навколо ядер з великою швидкістю і мають значну енергію. Спектр значень цієї енергії характерний для атома кожного хімічного елемента і не залежить від того, до якої сполуки входить хімічний елемент.

Характеристичне випромінювання виникає в тому випадку, коли внаслідок зіткнення зі швидким електроном один з електронів внутрішньої оболонки покидає атом. Переходячи на незайнятий рівень, зовнішній електрон випромінює в рентгенівській області спектра, й частота цього випромінювання залежить від сорту атома й тих орбіталей, між якими відбувається перехід. Частоти Еі визначені для кожного хімічного елемента й не залежать від типу хімічних зв’язків.

Залежність від речовини виявляється тільки в тому, що зі збільшенням порядкового номера елемента в системі Менделєєва весь його характеристичний рентгенівський спектр зміщується в бік коротших хвиль. Генрі Мозлі в 1913 р. показав, що квадратний корінь із частоти (або величини, оберненої до довжини хвилі) даної спектральної лінії пов’язаний лінійною залежністю з атомним номером елемента Z. Закон Мозлі відіграв дуже важливу роль у фізичному обґрунтуванні періодичної системи Менделєєва.

Проаналізуймо на підставі квантової теорії світла неперервний спектр рентгенівського випромінювання.

Швидкі електрони, ударяючись об перешкоду, можуть втрачати або частину своєї кінетичної енергії, або всю кінетичну енергію. (Майже 99 % енергії електронів, що вдарились об перешкоду, перетворюється на теплову, тому рентгенівські трубки охолоджують.) Неперервний характер спектра рентгенівського випромінювання вказує на те, що електрони втрачають довільні значення енергії. Короткохвильова межа рентгенівського випромінювання відповідає випадку, коли вся кінетична енергія електрона витрачається на випромінювання одного фотона. Довжина хвилі такого фотона

де Еk — кінетична енергія електрона, яка надається йому прискорюючим електричним полем Еk = еU. Розрахована в такий спосіб величина λ0 точно збігається з експериментальними даними.

Застосування рентгенівського випромінювання в науці, техніці, медицині, на виробництві. Як ми з’ясували, кожний елемент дає свій характеристичний спектр незалежно від того, цей елемент до випускання рентгенівських променів перебуває у вільному стані чи у складі якоїсь речовини. Ця особливість характеристичного спектра рентгенівських променів використовується для ідентифікації різних елементів у складних з’єднаннях і є основою рентгеноспектрального аналізу.

Рентгеноспектральний аналіз — це розділ аналітичної хімії, який використовує рентгенівські спектри елементів для хімічного аналізу речовин.

Найбільш широко рентгеноспектральний аналіз застосовують в металургії та геології для визначення макро- і мікрокомпонентів; для визначення вмісту Pb і Br в нафті та бензинах, сірки в газоліні, домішок — у мастилах і продуктах зношування в машинах; для аналізу каталізаторів; для експресних силікатних аналізів та ін.

Важливою сферою застосування рентгенівських променів є рентгенографія металів і сплавів, яка перетворилася на окрему галузь науки. «Рентгенографія» охоплює різні способи використання рентгенівських променів — рентгенівську дефектоскопію (просвічування), рентгеноспектральний аналіз, рентгеноструктурний аналіз, рентгенівську мікроскопію та інше.

Рентгенівська спектроскопія для отримання спектра використовує явище дифракції променів на кристалах. Дифракція рентгенівських променів є основним методом визначення структури кристалів. Методами рентгеноструктурного аналізу вивчають метали, сплави, мінерали, неорганічні та органічні сполуки, полімери, аморфні матеріали, рідини й гази, молекули білків, нуклеїнових кислот і т.д.

Властивості рентгенівських променів широко використовують у медицині для виявлення змін в організмі (рентгенодіагностика) та для лікування злоякісних пухлин. Хворі клітини й тканини організму мають підвищену чутливість до дії рентгенівських променів, тому відповідною дозою випромінювання можна стримувати ріст і навіть руйнувати хворі тканини організму, не пошкоджуючи сусідніх здорових тканин.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Поясніть принцип збудження рентгенівських променів. Що таке рентгенівське характеристичне випромінювання? 2. На малюнку 240 наведено характеристичний спектр рентгенівського випромінювання, отриманий за деякої напруги на рентгенівській трубці. Як зміниться вигляд кривої, якщо напругу на трубці зменшити вдвічі? 3. Назвіть основні властивості рентгенівських променів.