Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном (первичные Р. л.), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные Р. л.). Ионизованный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10
-16-10
-15
секпереходит в конечное состояние с меньшей энергией. При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты n линий этого спектра от атомного номера
Zопределяется
Мозли законом
:
=
AZ+
В,где
Аи
В -величины, постоянные для каждой линии спектра.
Тормозное рентгеновское излучение, испускаемое очень тонкими мишенями, полностью поляризовано вблизи n 0; с уменьшением n степень поляризации падает. Характеристическое излучение, как правило, не поляризовано.
При взаимодействии Р. л. с веществом может происходить фотоэффект,сопровождающее его поглощение Р. л. и их рассеяние, фотоэффект наблюдается в том случае, когда атом, 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. л. на неметаллические кристаллы (например, на каменную соль) в некоторых узлах атомной решётки появляются ионы с дополнительным положительным зарядом, а вблизи них оказываются избыточные электроны. Такие нарушения структуры кристаллов, называемые рентгеновскими экситонами,являются центрами окраски и исчезают лишь при значительном повышении температуры.
При прохождении Р. л. через слой вещества толщиной
хих начальная интенсивность
I
0уменьшается до величины
I=
I
0e
-
m
x
где m - коэффициент ослабления. Ослабление
Iпроисходит за счёт двух процессов: поглощения рентгеновских фотонов веществом и изменения их направления при рассеянии. В длинноволновой области спектра преобладает поглощение Р. л., в коротковолновой - их рассеяние. Степень поглощения быстро растет с увеличением
Zи l
.Например, жёсткие Р. л. свободно проникают через слой воздуха ~ 10
см;алюминиевая пластинка в 3
смтолщиной ослабляет Р. л. с l = 0,027
вдвое; мягкие Р. л. значительно поглощаются в воздухе и их использование и исследование возможно лишь в вакууме или в слабо поглощающем газе (например, Не). При поглощении Р. л. атомы вещества ионизуются.
Влияние Р. л. на живые организмы может быть полезным и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях. Поскольку поглощение Р. л. зависит от l, интенсивность их не может служить мерой биологического действия Р. л. Количественным учётом действия Р. л. на вещество занимается рентгенометрия,единицей его измерения служит рентген.
Рассеяние Р. л. в области больших Zи l происходит в основном без изменения l и носит название когерентного рассеяния, а в области малых Zи l ,как правило, возрастает (некогерентное рассеяние). Известно 2 вида некогерентного рассеяния Р. л. - комптоновское и комбинационное. При комптоновском рассеянии, носящем характер неупругого корпускулярного рассеяния, за счёт частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки атома 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 лёгком атоме небольшая часть его энергии тратится на ионизацию атома и меняется направление движения фотона. Изменение таких фотонов не зависит от угла рассеяния.
Показатель преломления nдля Р. л. отличается от 1 на очень малую величину d = 1- n» 10 -6-10 -5. Фазовая скорость Р. л. в среде больше скорости света в вакууме. Отклонение Р. л. при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут). При падении Р. л. из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.
Регистрация Р.л. Глаз человека к Р. л. не чувствителен. Р. л. регистрируют с помощью специальной рентгеновской фотоплёнки, содержащей повышенное количество AgBr. В области l < 0,5
чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области l > 5
чувствительность обычной позитивной фотоплёнки достаточно велика, а её зёрна значительно меньше зёрен рентгеновской плёнки, что повышает разрешение. При l порядка десятков и сотен
Р. л. действуют только на тончайший поверхностный слой фотоэмульсии; для повышения чувствительности плёнки её сенсибилизируют люминесцирующими маслами (см.
Сенсибилизация
)
.В рентгенодиагностике и дефектоскопии для регистрации Р. л. иногда применяют
электрофотографию
(электрорентгенографию).
Р. л. больших интенсивностей можно регистрировать с помощью
ионизационной камеры,Р. л. средних и малых интенсивностей при l < 3
-
сцинтилляционным счётчиком
с кристаллом NaI (Tl), при 0,5 < l < 5
-
Гейгера - Мюллера счётчиком
и отпаянным
пропорциональным счётчиком,при 1 <
l < 100
- проточным пропорциональным счётчиком, при l < 120
-
полупроводниковым детектором.В области очень больших l (от десятков до 1000
) для регистрации Р. л. могут быть использованы вторично-электронные умножители открытого типа с различными фотокатодами на входе.
Применение Р.л. Наиболее широкое применение Р. л. 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 атомов в кристаллической решётке минералов и соединений, в неорганических и органических молекулах. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, т. е. выполнен фазовый анализ (см. Дебая - Шеррера метод ) .Многочисленными применениями Р. л. для изучения свойств твёрдых тел занимается рентгенография материалов.
Рентгеновская микроскопияпозволяет, 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 химической связи, находит эффективный заряд ионов в твёрдых 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. л., приходящие из космоса, несут информацию о химическом составе космических тел и о физических процессах, происходящих в космосе. Исследованием космических Р. л. занимается рентгеновская астрономия.Мощные Р. л. используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации материалов, крекинга органических веществ. Р. л. 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; Рентгеновские лучи. 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.
Рентгеновские спектры
Рентге'новские спе'ктры,спектры испускания и поглощения
рентгеновских лучей,т. е. электромагнитного излучения в области длин волн от 10
-4
до 10
3
. Для исследования спектров рентгеновского излучения, получаемого, например, в
рентгеновской трубке,применяют спектрометры с кристаллом-анализатором (или дифракционной решёткой) либо бескристальную аппаратуру, состоящую из детектора (сцинтилляционного, газового пропорционального или полупроводникового счётчика) и амплитудного анализатора импульсов (см.
Спектральная аппаратура рентгеновская
)
.Для регистрации Р. с. применяют рентгенофотоплёнку и различные детекторы ионизирующих излучений.
Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического Р. с. Тормозной Р. с. возникает при торможении заряженных частиц, бомбардирующих мишень (см. Тормозное излучение ) .Интенсивность тормозного спектра быстро растет с уменьшением массы бомбардирующих частиц и достигает значительной величины при возбуждении электронами. Тормозной Р. с. - сплошной, так как частица может потерять при тормозном излучении любую часть своей энергии. Он непрерывно распределён по всем длинам волн l ,вплоть до коротковолновой границы l 0= hc/eV( h - Планка постоянная, с -скорость света, е- заряд бомбардирующей частицы, V -пройденная ею разность потенциалов). С возрастанием энергии частиц интенсивность тормозного Р. с. Iрастет, а l 0смещается в сторону коротких волн ( рис. 1 ). С увеличением порядкового номера Zатомов мишени Iтакже растет.
Характеристические Р. с. испускают атомы мишени, у которых при столкновении с заряженной частицей высокой энергии или фотоном первичного рентгеновского излучения с одной из внутренних оболочек ( К-, L-, М-... оболочек) вылетает электрон. Состояние атома с вакансией во внутренней оболочке (его начальное состояние) неустойчиво. Электрон одной из внешних оболочек может заполнить эту вакансию, и атом при этом переходит в конечное состояние с меньшей энергией (состояние с вакансией во внешней оболочке). Избыток энергии атом может испустить в виде фотона характеристического излучения. Поскольку энергии E 1начального и E 2конечного состояний атома квантованы, возникает линия Р. с. с частотой n = ( E 1- E 2) /h.Все возможные излучательные квантовые переходы атома из начального К-состояния образуют наиболее жёсткую (коротковолновую) К-серию. Аналогично образуются L-, М-, N-серии ( рис. 2 ). Положение линий характеристического Р. с. зависит от атомного номера элемента, составляющего мишень (см. Мозли закон ) .
Каждая серия характеристического Р. с. возбуждается при прохождении бомбардирующими частицами определённой разности потенциалов - потенциала возбуждения V q( q -индекс возбуждаемой серии). При дальнейшем росте Vинтенсивность / линий этого спектра растет пропорционально ( V- V q) 2затем рост интенсивности замедляется и при V» 11 V qначинает падать.
Относительные интенсивности линий одной серии определяются вероятностями квантовых переходов и, следовательно, соответствующими отбора правилами.Кроме наиболее ярких линий дипольного электрического излучения,в характеристические Р. с. могут быть обнаружены линии квадрупольного и октупольного электрических излучений и линии дипольного и квадрупольного магнитных излучений.
Р. с. поглощения получают, пропуская первичное рентгеновское излучение непрерывного спектра через тонкий поглотитель. При этом распределение интенсивности по спектру изменяется - наблюдаются скачки и флуктуации поглощения, которые и представляют собой Р. с. поглощения. Для каждого уровня Р. с. поглощения имеют резкую низкочастотную (длинноволновую) Границу n q( hn q = eV q) ,при которой наблюдается первый скачок поглощения ( рис. 3 ).
Р. с. нашли применение в рентгеновской спектроскопии, спектральном анализе рентгеновском, рентгеновском структурном анализе.
Лит.см. при ст. Рентгеновские лучи.
М. А. Блохин
Рис. 2. Схема К-, L-, М-уровней атома и основные линии К- и L-cepий.
Рис.1. Распределение интенсивности I тормозного излучения W по длинам волн l при различных напряжениях V на рентгеновской трубке.
Рис. 3. Зависимость интенсивности I тормозного рентгеновского спектра от частоты n вблизи n q: 1 - без поглотителя; 2 - после прохождения поглотителя.
Рентгеновский гониометр
Рентге'новский гонио'метр,прибор, с помощью которого можно одновременно регистрировать направление дифрагированных на исследуемом образце рентгеновских лучей и положение образца в момент возникновения дифракции. Р.г. может быть самостоятельным прибором, регистрирующим на фотоплёнке дифракционную картину; в этом случае он представляет собой рентгеновскую камеру.Р. г. называют также все гониометрические устройства, являющиеся составной частью рентгеновских дифрактометров и служащие для установки образца и детектора в положения, соответствующие условиям возникновения дифракции рентгеновских лучей.
В Р. г. с фоторегистрацией для исследования монокристаллов или текстур щелевым экраном выделяют дифракционный конус, соответствующий исследуемой кристаллографической плоскости. Фотоплёнка и образец движутся синхронно, поэтому одна из координат на плёнке соответствует азимутальному углу дифрагированного луча, вторая - углу поворота образца [так работает Р. г. Вайсенберга ( рис. 1 ), текстурный Р. г. Жданова].
В Р. г. для дифрактометров может быть использована аналогичная схема, однако угол поворота образца и углы поворота и наклона детектора в этом случае отсчитываются непосредственно по лимбам или датчикам, установленным на соответствующих валах. В рентгеновских дифрактометрах для исследования монокристаллов и текстур применяется так называемая экваториальная геометрия: счётчик перемещается только в одной плоскости, а образец нужно поворачивать вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей таким образом, чтобы дифрагированный пучок попал в плоскость движения счётчика. Положения образца (углы l, j, w его поворота вокруг осей вращения) и счётчика (угол 2q) в момент дифракции отсчитываются по лимбам ( рис. 2 ).
Для исследования поликристаллических образцов используют слегка расходящийся пучок рентгеновских лучей, который после дифракции на объекте сходится в одну точку. В этом случае применяются схемы съёмки по Брэггу - Брентано, когда плоскость образца делит угол рассеяния пополам ( рис. 3 ), и Зееману - Болину, когда фокус рентгеновской трубки, образец и щель детектора располагаются на одной окружности ( рис. 4 ).
В Р. г. входят также системы, формирующие первичный пучок (коллиматоры, монохроматоры), и системы движения для измерения интегральной интенсивности.
Лит.:Уманский М. М., Аппаратура рентгеноструктурных исследований, М., 1960; Хейкер Д. М., Зевин Л. С., Рентгеновская дифрактометрия, М., 1963; Хейкер Д. М., Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов, Л., 1973.
Д. М. Хейкер.
Рис. 1. Схема рентгеновского гониометра типа Вайсенберга.Зубчатые передачи и ходовый винт обеспечивают синхронное движение исследуемого образца (О) и цилиндрической кассеты (К) с рентгеновской плёнкой.
Рис. 3. Схема фокусировки лучей в рентгеновском гониометре по Брэггу - Брентано для исследования поликристаллических образцов; F - фокус рентгеновской трубки; O - плоский образец; D - щель счетчика; C - счетчик; 2q - угол отражения.
Рис. 2. Схема экваториального четырёхкружного гониометра для исследования монокристаллов. Лимб 1 измеряет Ф 2- угол поворота кристалла вокруг оси гониометрической головки; лимб 2 регистрирует c- угол наклона оси Ф; лимб 3 изменяет w - угол вращения кристалла относительно главной оси гониометра; лимб 4 измеряет угол поворота счётчика 2q.
Рис. 4. Схема фокусировки лучей в рентгеновском гониометре по Зееману-Болину; F - фокус рентгеновской трубки; O - изогнутый образец; D - щели счетчиокв; C - счетчики.
Рентгеновский дифрактометр
Рентге'новский дифракто'метр,прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновского излучения, дифрагированного на кристаллическом объекте. Р. д. применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа.Он позволяет измерять интенсивности дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до 10-х долей процента и углы дифракции с точностью до 10-х долей минуты. С помощью Р. д. можно производить фазовый анализ поликристаллических объектов и исследование текстур,ориентировку монокристальных блоков, получать полный набор интенсивностей отражений от монокристалла, исследовать структуру многих веществ при различных внешних условиях и т.д.
Р. д. состоит из источника рентгеновского излучения, рентгеновского гониометра,в который помещают исследуемый образец, детектора излучения и электронного измерительно-регистрирующего устройства. Детектором в Р. д. служит не фотоплёнка, как в рентгеновской камере,а счётчики квантов (сцинтилляционные, пропорциональные, полупроводниковые счётчики или Гейгера - Мюллера счётчики ) .Дифракционную картину образца в Р. д. получают последовательно: счётчик перемещается в процессе измерения и регистрирует попавшую в него энергию излучения за определённый интервал времени. По сравнению с рентгеновскими камерами Р. д. обладают более высокой точностью, чувствительностью, большей экспрессностью. Процесс получения информации в Р. д. может быть полностью автоматизирован, поскольку в нём отсутствует необходимость проявления фотоплёнки, причём в автоматическом Р. д. прибором управляют ЭВМ, полученные данные поступают на обработку в ЭВМ. Универсальные Р. д. можно использовать для различных рентгеноструктурных исследований, заменяя приставки к гониометрическому устройству. В больших лабораториях применяются специализированные дифрактометры, предназначенные для решения какой-либо одной задачи рентгеноструктурного анализа.
Лит.:Хейкер Д. М., Зевин Л. С., Рентгеновская дифрактометрия, М., 1963; Хейкер Д. М., Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов, Л., 1973.
Д. М. Хейкер.
Рентгеновский структурный анализ
Рентге'новский структу'рный ана'лиз,методы исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Р. с. а. наряду с
нейтронографией
и
электронографией
является дифракционным структурным методом; в его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает
дифракция рентгеновских лучей.Дифракционная картина зависит от длины волны используемых
рентгеновских лучей
и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны ~1
, т. е. порядка размеров атомов. Методами Р. с. а. изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно Р. с. а. применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что
кристаллы
обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.
Историческая справка.Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах была открыта в 1912 немецкими физиками М. Лауэ,В. Фридрихом и П. Книппингом. Направив узкий пучок рентгеновских лучей на неподвижный кристалл, они зарегистрировали на помещенной за кристаллом фотопластинке дифракционную картину, которая состояла из большого числа закономерно расположенных пятен. Каждое пятно - след дифракционного луча, рассеянного кристаллом. Рентгенограмма,полученная таким методом, носит название лауэграммы ( рис. 1 ).
Разработанная Лауэ теория дифракции рентгеновских лучей на кристаллах позволила связать длину волны l излучения, параметры элементарной ячейки кристалла а, b, с(см. Кристаллическая решётка ) ,углы падающего (a 0, b 0, g 0) и дифракционного (a, b, g) лучей соотношениями:
a(cosa- cosa 0) = hl ,
b(cosb - cosb 0) = kl , (1)
c(cosg - cosg 0) = ll ,
где h, k, I -целые числа ( миллеровские индексы ) .Для возникновения дифракционного луча необходимо выполнение приведённых условий Лауэ [уравнений (1)], которые требуют, чтобы в параллельных лучах разность хода между лучами, рассеянными атомами, отвечающими соседним узлам решётки, были равны целому числу длин волн.
В 1913 У. Л. Брэгг и одновременно с ним Г. В. Вульф предложили более наглядную трактовку возникновения дифракционных лучей в кристалле. Они показали, что любой из дифракционных лучей можно рассматривать как отражение падающего луча от одной из систем кристаллографических плоскостей (дифракционное отражение, см. Брэгга - Вульфа условие ) .В том же году У. Г. и У. Л. Брэгги впервые исследовали атомные структуры простейших кристаллов с помощью рентгеновских дифракционных методов. В 1916 П. Дебай и немецкий физик П. Шеррер предложили использовать дифракцию рентгеновских лучей для исследования структуры поликристаллических материалов. В 1938 французский кристаллограф А. Гинье разработал метод рентгеновского малоуглового рассеяния для исследования формы и размеров неоднородностей в веществе.
Применимость Р. с. а. к исследованию широкого класса веществ, производственная необходимость этих исследований стимулировали развитие методов расшифровки структур. В 1934 американский физик А. Патерсон предложил исследовать строение веществ с помощью функции межатомных векторов (функции Патерсона). Американские учёные Д. Харкер, Дж. Каспер (1948), У. Захариасен, Д. Сейр и английский учёный В. Кокрен (1952) заложили основы так называемых прямых методов определения кристаллических структур. Большой вклад в развитие патерсоновских и прямых методов Р. с. а. внесли Н. В. Белов,Г. С. Жданов, А. И. Китайгородский, Б. К. Вайнштейн,М. Порай-Кошиц (СССР), Л. Полинг,П. Эвальд, М. Бюргер, Дж. Карле, Г. Хауптман (США), М. Вульфсон (Великобритания) и др. Работы по исследованию пространственной структуры белка, начатые в Англии Дж. Берналом (30-е гг.) и успешно продолженные Дж. Кендрю,М. Перуцем,Д. Кроуфут-Ходжкин и др., сыграли исключительно важную роль в становлении молекулярной биологии.В 1953 Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая хорошо согласовалась с результатами рентгенографических исследований ДНК, полученными М. Уилкинсом.
В 50-х гг. начали бурно развиваться методы Р. с. а. с использованием ЭВМ в технике эксперимента и при обработке рентгеновской дифракционной информации.
Экспериментальные методы Р. с. а.Для создания условий дифракции и регистрации излучения служат рентгеновские камеры и рентгеновские дифрактометры.Рассеянное рентгеновское излучение в них фиксируется на фотоплёнке или измеряется детекторами ядерных излучений.В зависимости от состояния исследуемого образца и его свойств, а также от характера и объёма информации, которую необходимо получить, применяют различные методы Р. с. а. Монокристаллы, отбираемые для исследования атомной структуры, должны иметь размеры ~ 0,1