Рентгеновские лучи

Коротковолновое рентгеновское излучение (длина волны 0,01 мкм и меньше, частота 3x1016 Гц и выше) было впервые обнаружено Рентгеном в 1895 г. В настоящее время его получают в высокоэвакуированных трубках с накаливаемым катодом 1, служащим источником электронов (рис. 10.6). На трубку подается высокое напряжение (десятки и сотни киловольт), ускоряющее электроны. Последние бомбардируют металлический анод 2, плоскость которого образует угол 45° с направлением движения электронов. Благодаря этому возникающее излучение свободно выходит из трубки и через отверстие 3 в защитном свинцовом экране 4 направляется на мишень.

Рис 10.6

Так как напряжение на трубке высокое, то она всегда работает в режиме насыщения. Для регулировки тока через трубку изменяют накал катода, т. е. число электронов, поступающих в трубку в единицу времени, при этом изменяется и интенсивность излучения трубки.

Рентгеновские лучи можно обнаружить при помощи люминесцирующего экрана, по их ионизирующему действию на газы, по фотохимическому действию на фотопластинку. Электромагнитная природа рентгеновского излучения не вызывала сомнений у исследователей. Однако доказательство их волновых свойств было нелегкой задачей, так как для, столь коротких волн обычные дифракционные -решетки были слишком грубыми (и наблюдать дифракцию рентгеновских лучей при помощи обычной решетки удалось лишь в 19.26 г.). Но в 1912 г. Лауэ пришел к мысли, что закономерно расположенные в кристалле атомы вещества могут играть роль дифракционной решетки для рентгеновских волн. Действительно, при пропускании узкого пучка рентгеновских лучей через кристалл был обнаружен прямой неотклоненный пучок и закономерно расположенные боковые (дифрагировавшие) пучки. Их расположение менялось при замене одного кристалла другим. (Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке)

Рис 10.7

Спектр излучения рентгеновской трубки показан на рисунке 10.7. При сравнительно низких напряжениях спектр сплошной, причем его коротковолновая граница очерчена очень резко, а длинноволновая асимптотически спадает до нуля. При повышении напряжения интенсивность излучения растет, резкая граница смещается в сторону коротких волн. Начиная с некоторого напряжения, характерного для металла анода, на фоне сплошного спектра появляются резко выраженные линии; их интенсивность в тысячи раз превосходит интенсивность сплошного спектра. Возникновение сплошного рентгеновского спектра классическая электродинамика объясняет как результат торможения электронов в поле кристаллической решетки анода. При этом часть кинетической энергии электрона переходит в энергию излучения. Большая же часть энергии идет на нагревание анода, поэтому иногда нуждающегося в искусственном охлаждении. Существование высокочастотной границы излучения с классической точки зрения непонятно. Если же стать на фотонную точку зрения, трудности объяснения отпадают: каждый электрон при торможении рождает один фотон. При полном переходе энергии электрона в энергию излучения должен рождаться фотон с наибольшей частотой, определяемой уравнением:

eU=hvmax,

что и соответствует действительности.

Появление характеристического излучения также объясняется с фотонной точки зрения: в этом случае отдельный электрон взаимодействует с электронной оболочкой отдельного атома, вырывая из нее один из внутренних электронов (см. § 14.2). При восстановлении, начального состояния атом отдает энергию вполне определенного значения, которому отвечает фотон определенной частоты. Увеличение интенсивности излучения при увеличении тока через трубку, естественно, объясняется возрастанием числа электронов, ежесекундно достигающих анода. Закономерности рентгеновского характеристического излучения будут рассмотрены в § 14.2.

В ряде опытов одновременно с волновыми проявляются и фотонные свойства рентгеновских лучей. Так, в классическом опыте Боте весьма слабый пучок рентгеновских лучей рассеивался тонкой пленкой; два счетчика, расположенные симметрично относительно пленки, регистрировали рассеянное излучение. Оказалось, что моменты регистрации излучения обоими счетчиками не совпадали друг с другом, следовательно, акты рассеяния не имели волнового характера (волна должна была бы рассеиваться во все стороны одновременно).

Так как рентгеновские лучи вызывают фотоэффект и способны создавать ионизацию газа, то для их регистрации можно применить оба эти эффекта. Для измерения интенсивности применяются ионизационные камеры, т. е. цилиндрические конденсаторы (рис. 10.8), подключенные последовательно с измерителем тока к источнику постоянного напряжения. Эти камеры работают в режиме насыщения (участок 1 на вольт-амперной характеристике, рис. 10.9). Излучение поступает через прозрачную для лучей стенку камеры (или окошко в непрозрачной стенке). В известных пределах сила тока насыщения пропорциональна интенсивности излучения.

Рис 10.8

Рис 10.9

Рис 10.10

При повышении напряжения возникает ударная ионизация, причем имеется участок 2, где сила тока пропорциональна начальному числу образовавшихся ионов, а усиление достигает столь больших значений (до 107), что можно регистрировать попадание отдельных частиц и отличать их по силе тока (например, можно отличить α-частицу от рентгеновского фотона). Камера, работающая в таком режиме, называется пропорциональным счетчиком.

Наконец, при еще большем напряжении возникает самостоятельный разряд (область 3), используемый в счетчике Гейгера. Последовательно с этим Счетчиком (G) включен резистор R, имеющий большое (несколько мегом) сопротивление (рис. 10.10). Центральный проводник сделан очень тонким, так что поле около него велико и газ, заполняющий счетчик, находится в условиях, при которых возможно возникновение самостоятельного разряда. При влетании в счетчик заряженной частицы или фотона, способного создать ионизацию, электроны, летя к центральному электроду, создают самостоятельный разряд, ускоряясь в сильном поле. При этом ток резко возрастает, и импульс напряжения с резистора R поступает в осциллограф или другое регистрирующее устройство. Так как при этом напряжение на конденсаторе соответственно уменьшается, то разряд прекращается и счетчик готов к регистрации следующей частицы. Счетчиком Гейгера можно регистрировать быстро следующие друг за другом ионизирующие частицы, но отличить их друг от друга невозможно.

Наконец, если рентгеновские фотоны столь энергичны, что могут создать в среде электроны, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света в данной среде, возникает эффект Черенкова и регистрация излучения этих быстрых электронов позволяет судить о приходе в счетчик фотонов.

Поглощение рентгеновских лучей при прохождении через вещество описывается следующим законом поглощения:

где Iо — начальная интенсивность, 1Х — интенсивность на глубине х, К — коэффициент поглощения. Этот коэффициент определяется двумя причинами: истинным поглощением и рассеянием — и может быть представлен суммой двух коэффициентов:

K=Kn+Kp.

Первый коэффициент определяет истинное поглощение; он зависит от плотности вещества р, атомного номера Z, атомной массы А, и длины волны:

(10.11)

Из соотношения (10.11) следует, что атомы, находящиеся в конце периодической системы Менделеева, образующие вещество большой плотности (например, свинец), должны сильно поглощать рентгеновское излучение. Это подтверждается опытом с линзой, сделанной из стекла, содержащего свинец; она совершенно непрозрачна для рентгеновских лучей, хотя хорошо пропускает видимое излучение.

Второй коэффициент определяет рассеяние излучения:

(10.12)

Весьма примечательно, что эти эффекты являются атомными, так что при рассеянии рентгеновского излучения в молекулярной среде молекулярный коэффициент поглощения равен сумме атомных коэффициентов атомов, образующих молекулу.

При изучении биологического действия рентгеновских лучей вводится специальная дозировка их по энергии.

Одной из величин, характеризующих эту дозировку, является экспозиционная доза излучения X. Единица экспозиционной дозы — кулон на килограмм (Кл/кг) — определяется так: это доза такого излучения, которое создает в 1 кг сухого воздуха заряд (обоих знаков), равный 1 Кл.