> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Рентгеновы лучи

Рентгеновы лучи

Рентгеновы лучи. Р. л., открытый в 1895 г. Рентгеном (смотрите), по своой природе ничом не отличаются от лучой видимого света (смотрите свет, XXXVII, 529/65). Они представляют собой электромагнитные волны, длина которых, приблизительно, в 10 тысяч раз короче, чем длина световых волн (смотрите XLI, ч. 4,41/43). Этим чисто количественным различием объясняются и всо разнообразные свойства Р. л., отличающие их от лучен видимых.

Получение. Р. л. получаются прп падении катодных лучой (смотрите) большой скорости на какоо-либо материальное тело. Для того, чтобы при этом получились именно Р. л-, катодные лучи должны обладать значительной энергией, которую они могут приобрести, проходя падение потенциала в несколько десятков или даже сотеп тысяч вольт (смотрите XLI, ч. 4, 67/68). Медленные катодные лучи, энергия которых соответствует нескольким вольтам или десяткам вольт, падая на материальное тело, вызывают излучение впдимого или ультрафиолетового света. Практически получение Р. л. осуществляется в специальных рентгеновских трубках. Последние представляют собой специально приспособленные разрядные (с разреженным газом) трубки (смотрите XXXV, 514/15), но возможности сильно эвакуированные (рас. 1 и 2). В новой-

Рисунок 1. Газовая рентгеновская трубка с осмотическим регулированием.

а _ анод; к — катод (оба из алюминия); ак — антикатод (из платины или иридия, вольфрама или молибдена); о — палладиевая трубочка для осмотич. регулирования давления газа (водород диффундирует через накаленный палладий).

ших рентгеновских трубках системы Кулиджа (рис.3) и др. источником электронов служит калящийся катод — проволочная спираль, нагрев ломая специальным вспомогательным током (как известно, раскаленный металл испускает электроны); вырывающиеся из катода электроны подхватываются электрическим полем и разгоняются до

Рисунок 2. Труб;.а Мюллера с водяным охлаждением антикатода.

требуемой скорости. При разности потенциалов в несколько сотен тысяч вольт эта скорость приближается к скорости света. Обычно, впрочем, довольствуются гораздо меньшими скоростями. Против катода помещается моталличоская пластинка, на которой концентрируется пучок электронов и которая служит источником Р. л. Эта пластинка называется антикатодом.

Характер Р. л., попускаемых антикатодом, зависит отчасти от природы образующего его вещества, отчасти от энергии бомбардирующих его катодных лучей. Чем больше энергия последних, тем, вообще говоря, „жестче11 Р. л., то есть тем больше способность их к проникновению через материальные тола. Жосткость Р. л. определяется их длиной волны или частотой колебаний; чем больше частота колебаний, чем больше жесткость,— тем больше толща материи, через которую Р. л. могут проникнуть. Максимальная частота Р. л. оказывается прямо пропорциональна энергии отдельных электронов в пучке катодных лучей: она равна этой энергии, деленной на так паз. постоянную Планка (смотрите излучение, XXII, 485). Общая эноргпя Р. л. составляет обыкновенно лишь небольшую долю, около нескольких десятитысячных общей энергии катодных лучей.

Действия Р. л. и их обнаружение. Р. л. обнаруживаются разными способами, которые сводятся, в конце концов, к

Рнс. 3. Трубка Кулиджа.

Л — тяжелый вольфрамовый антикатод; В — вольфрамовая спираль; С — провода для накала спирали.

одному основному их свойству, именно— к свойству вырывать электроны из атомов материального тела, на которое они падают изи через которое они проходят. Эти электроны в том случао, если они и спускаются твердым телом, образуют, так называемым вторичные катодные лучи, весьма близкие по своим скоростям к первичным катодным лучам, возбуждающим Р. л. При прохождении Р. л. через газы, последние ионизируются, то есть, другими ело вами, молекулы и атомы их расщеп ляются на электроны и положительные ионы В присутствии электрического поля эти наэлектризованные частицы движутся в противоположные стороны, образуя электрический ток. Таким образом, Р. л. при прохождении чорез газы сообщают им электропроводимость, то есть способность пропускать электрический ток. Наличие этой электропроводимости является признаком присутствия Р. л. причем величина электропроводимости может служить мерой их интенсивности. К ионизационному эффекту сводятся и то химические действия, кото-рыо Р. л. производят на фотографическую пластинку, служащую обычно наиболее простым сродством для их обнаружения. Аналогичным образом объясняются и другие действия Р. л., например флуоресценция, вызываемая ими при падении на экран из алатиносино-

Водистого бария {см. XXVII, 537) и тому подобное.

[ервичным эффектом во всех этих случаях является вырывание электронов из отдельных атомов. Как улсе упоминалось выше, максимальная скорость подобных электронов приблизительно совпадает с максимальной скоростью тех первичных электронов, которыми Р. л. вызываются.

Отражение и преломление Р. л. При обычных условиях Р. л., в отличие от лучей видимого свота, не обнаруживают отражения или преломления. Это обстоятельство объясняется том, что длина волны их мала по сравнению с размерами тех неправильно-стой (шороховатостей), которые встречаются на поверхности обыкновенных тел. Вместо правильного отражения при таких условиях получается неправильное, о „диффузное“ рассеянно лучей по всом направлениям. Как известно, даже тела с шероховатой поверхностью приобретают способность довольно хорошо отражать видимый свет при наклонном падении лучей. Если пучок Р. л. падает на поверхность обыкновенного тола под углом в несколько минут, то и в этом случае, как показали новойшие исследования, можно получить правильное отражение. При таких условиях наблюдается и преломление Р. л. при пероходо из одного тола в другое. Коэффициент преломления различных тел оказывается при этом посколько меньше единицы, в противоположность тому, что имеет место для видимого света.

Однако, в наиболее очевидпой форме явлонио отражения Р. л. наблюдается при падении их на поверхность кристаллов (смотрите кристаллическая структура, XXV, 589/92). При этом отраженно получао;ся но при любом угле падения, но лишь при рядо вполне определенных значений угла падения, зависящих от расстояния между соседними параллельными слоями атомов в кристалле. Эти слои действуют как ндоальныо зеркала. Так как, однако, лучи, отраженные от различных параллельных эоркал, имеют разные фазы, то, складываясь друг с другом,

они могут не только взаимно усиливаться, но и взаимно ослабляться. Для того, чтобы имело место усиление лучей, отразившихся от равноотстоящих параллельных кристаллических плоскостей, нужно, чтобы разность хода лучей, отраженных от соседних зеркальных плоскостей, равнялась длине волны или целому кратному ее. Длина волны Р. л. близка к величине можду-атомных расстояний в твердых телах. Таким образом, предыдущее условие можот быть выполнено для ряда определенных углов падения. При этом получается явление так называемым селективного отражения, впервые изученное Браггами (Bragg, см. XLVIII, прил. совр. деятели науки, 14). Кристаллы могут быть подразделены на параллельные зеркальные плоскости весьма большим числом различных способов. Далее, для отражения Р. л. от той или иной системы подобных плоскостей отнюдь L я о

Рисунок 4. Рентгеновский спектр трубки Кулиджа с вольфрамовым антикатодом.

не требуется, чтобы паружная поверхность кристалла совпадала с одной из них. Поэтому при прохождении Р. л. через кристалл наблюдается, на ряду с проходящим пучком, целый ряд селективно отраженных или рассеянпых кусков, образующих с ним вполне определенные углы, зависящие от длины волны Р. л. и от структуры кристалла. В этом случае обычно говорят но об отражонип Р. л., а об интерференции или диффракции их. Явление диффрак-ции Р. л. было впервые открыто М. Лауэ (смотрите XLVIII, прил. совр. деят. науки, 15) в 1913 году и явилось новой эрой как в изучении Р. л., так и в изучении строения материи. Заметим,что до этого открытия волновая природа Р. л., их принципиальная тождественность с видимым светом, хотя и предполагалась, по не могла считаться доказанной. Значительно позднее удалось осуществить диффракцию Р. л. от обычной оптической диффракционной решетки (смотрите XXXVII, 560) при черезвычайно па-клонном (почти скользящем) падении, причем эти опыты подтвердили результаты, полученные путем изучения Р. л. от кристаллов.

Спектроскопия Р. л. Кристаллы являются по отношению к Р. л. своего рода естественными диффракционпыми решетками. Это соответствие их друг другу обусловливается, как уже упоминалось выше, приблизительным совпадением длины волны Р. л. с междуатомными расстояниями в твердых телах. Систематическое исследование спектра Р. л., испускаемых различными антикатодами при различной энергии бомбардирующих их электронов, привело к следующим результатам. Рентгеновское излучение {рис. 4) состоит, вообще говоря, из двух частей, а именно: из лучей всевозможных длпн волн, вплоть до некоторой предельпой минимальной длины волны, определяемой энергией катодных лучей и не зависящей от природы катода, и из ряда отдельных монохроматических лучей, или „линий“, характерных для вещества антикатода. Лучи первого рода образуют так называемым непрерывное рентгеновское излучение, или непрерывный рентгеновский спектр. Это непрерывное излучение обусловливается непосредственно первичными электронами, являясь результатом того торможения, которое они испытывают при своем внедрении в антикатод. Лучи второго рода называются характеристическими; они испускаются пе первичными электронами, но электронами, заключенными в атомах вещества, образующего антикатод (смотрите спектральный анализ, Х1Л, ч. 4, 68/70).

(J точки зрения классического представления об электромагнитном излучении, процесс испускания характеристических лучей молено было бы сравнить с процессом звучания струны, приводимой в колобанпо исходящими извне толчками. Однако, именно к Р. л. классическое представление о свето оказывается наименее применимым, и гораздо более плодотворные результаты дает применение к этому процессу квантовых представлений о свете (смотрите ниже). Характористическио лучи подразделяются па несколько сорий; из них наиболее жесткой называется сорил К, следующие серии L, М, N и так далее Как показал в 1914 году Мозли (cm.XLVIII, прил. совр. деятели науки, 18), максимальная частота колебаний, которая встречается в спектре характеристических лучей (именно у одной из линий серии К), систематически возрастает в ряду химических элементов, примерно, пропорционально квадрату атомного веса. Более тщательное исследование этой зависимости показало, что частотахарактеристических лучей определяется не весом атома, а так называемым номером его, то есть зарядом положительного ядра атома или числом обращающихся вокруг его „планетных“ электронов (смотрите XLI, ч. 4, 69). Как известно, электроны эти располагаются вокруг ядра в виде ряда отдельных групп или „этажей“ (смотрите электронная теория и ХЫ,ч.4,70 сл.). Деление характеристических Р. л. на серии вполне соответствует этому делению внеядерных электронов на группы; именно, сория К соответствует внутренней электронной группе, ближайшей к атому, сория L—следующей электроп-ной группе, и так далее У легких атомов число подобных групп равно 2-3-м, а у более тяжелых ого достигает 6 или 7-ми.

В случае видимых лучей линейчатый спектр испускания наблюдается только у газов. У твердых и жидких тел видимое излучение дает обычно сплошной споктр. То обстоятельство, что в случае Р. л. линейчатый спектр получается как в жидком, так и в твердом состоянии, вытекает из внутреннего положения электронов, обусловливающих эти лучи. Для этих внутренних электронов взаимодействие между атомами не играет никакой роли.

Далее, в случае газообразных тел наблюдается полное совпадение между спектрами испускания и спектрами поглощения видимого света. Другими словами, калсдый газ в наибольшей степени поглощает те самые лучи, которые при надлелсащих условиях им могут испускаться. Если, следовательно, пропускать через холодный газ видимые лучи, обладающие сплошным спектром, то в этом спектре появляются темные линии, совпадающие со спектральными линиями, которые испускались бы данным газом при надлелсащих условиях (высокой температуре или электронной бомбардировке). Иначо обстоит дело в случае Р- л. При прохождении через данное тело Р. л. с непрерывным спектром линий поглощения не наблюдается вовсе; вместо них получаются так называемым полосы поглощения, начинающиеся от определенных минимальных частот и продолжающиеся непрерывным образом с постепенным уменьшением интенсивности в сторону больших частот (то есть более коротких волн). Таким образом, наиболее резко запечатлевается край каждой полосы поглощения. Число подобных полос поглощения совпадаете числом серий в спектре испускания соответствующего элемента, так что каждая серия испускания соответствует в некотором смысле определенной полосе поглощения. Впрочем, соответствие между спектрами поглощения и испускания Р. л. оказывается, при ближайшем исследовании, более сложным; а именно, частота линий каждой серии испускания оказывается равной разности между частотой границы соответствующей полосы поглощения и границ других полос поглощения с меньшими частотами. Так, например, частота различных линий серин К равна разности можду частотой границы полосы поглощения К и граничными частотами полос поглощения L, М, N и так далее

Эти особенности характеристических рентгеновских спектров исчерпывающим образом объясняются квантовой теорией пх образования. С точки зрения этой теории основной причиной испускания Р. л. какой-либо серии (например серии К) является вырывание одного из электронов из соответствующей ей группы (в данном случае самой внутренней, К - группы). Остающееся свободное место занимается вскоре каким-нибудь электроном одной из более внешних групп. Перескакивая из своего места в одном из верхних этажей атома на освободившееся место в пижном этаже, электрон теряет определенную энергию, которая испускается в виде характеристических Р. л. Частота последних равна при этом,согласно основному закону Планка (смотрите XXI, 484/86), торяеыой энергии, деленной на План-ковскую постоянную. Что касается процесса вырывания электронов из атома, то он может обусловливаться разными причинами,— или ударом первичного электрона, или жо действием Р. л., испускаемых каким-либо вношним источником. В первом случае необходимо, чтобы энергия ударяющего электрона была по крайней мере равна энергии, требуемой для удаления данного связанного электрона за пределы атома. Во втором случае вместо энергии первичного электрона молено говорить об энергии кванта первичных Р. л., измеряемой произведением частоты колебаний на Плашсовскую постоянную. В том случае, когда испускание характеристических лучой происходит под влиянием электронной бомбардировки, калсдая сория появляется лишь тогда, когда энергия первичных электронов превышает энергию, необходимую для вырывания электрона из соответствующей группы. В случае, если это вырывание обусловливается другими (первичпы-ми) Р. л., частота их колебаний должнапревысить частоту всох характеристических лучей данной серии (ем. спектральный анализ, XLI, ч. 4, 82/86). Испу-сканио характеристических лучей под действием первичных Р. л. иной (болео высокой) частоты называется флуоресценцией, а само характеристическое излучение называется часто в этом случае флуоресцирующим. То оостоятельство, что при поглощении первичных лучей но получается линий поглощения, объясняется отсутствием свободных мост в верхних этажах атома. При таких условиях электрон из внутренней группы должон быть удалён за пределы атома, что сопроволсдается поглощенном первичных Р. л.; испускание лее вторичных или характеристических лучей происходит, как указывалось выше, путем замещения удаленного электрона одним из элоктронов какой-либо более внешней группы.

Подобно тому как спектральный анализ в области видимых лучей явился мощным сродством химического анализа, так лее точно и рентгеновский анализ, анализ рентгеновских спектров, дает возможность судить о химической природе атомов, дающих этот спектр. В последнем случае связь можду спок-тром и химической природой еще проще, чем в случае видимых лучей, так как, в противоположность оптическому спектру, рентгеновский спектр слагаотся из сравнительно небольшого числа линий (в испускании) или полос (в поглощения). В последнее время рентгеновский анализ улсе привод к открытью одного из элементов (гафния), остававшегося досоле неизвестным. Преимущество рентгеновского анализа, как метода химического исследования, перед обыкновенным спектральным анализом заключается еще в том, что в случае видимых лучей линейчатый спектр получается лишь в газообразном состоянии исследуемых веществ, тогда как в случав Р. л. аггрегатиоо состояние материи не играет никакой роли.