1 Рентгеновские методы спектрального анализа ( введение 1) Тема № 3

Тема № 3

отрывший в 1895 г. коротковолновое электромагнитное излучение — рентгеновские лучи.

Открытие рентгеновских лучей оказало огромное влияние на все последующее развитие физики, в частности привело к открытию радиоактивности. Первая Нобелевская премия по физике была присуждена Рентгену.
Рентген способствовал быстрому распространению практического приме-нения своего открытия в медицине. Конструкция созданной им первой рентгеновской трубки для получения рентгеновских лучей сохранилась в основных чертах до настоящего времени.

История открытия рентгеноского излучения

семи нобелевских премий за работы в области рентгеновских лучей:

√

в 1914 г., за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ);
√ в 1915 г., за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (отцу и сыну Брэггам);
√ в 1917 г., за открытие характеристического рентгеновского излучения (Ч.Баркле);
√ в 1924 г., за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К.Сигбану);
√ в 1927 г., за открытие рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А.Комптону);
√ в 1936 г., за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П.Дебаю);
√ в 1979 г., за разработку метода осевой (рентгеновской) томографии (А.Кормаку и Г.Хаунсфилду).

Кроме того, рентгеновским лучам обязаны такие великие открытия, как структура молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, ответственных за фотосинтез (премии 1962 и 1988 гг.).

методы структурного анализа)
Рентгеновская абсорбционная спектроскопия
Рентгеновксая эмиссионная

спектроскопия
Рентгенофлуоресцентная спектроскопия
(энергодисперсионная и с волновой дисперсией)
Рентгенофотоэлектронная спектроскопия и Ожэ-электронная
спектроскопия
Метод химических сдвигов рентгеновских спектров
Рентгеноструктурный и рентгенофазовый методы анализа
Аномальное рассеяние рентгеновских лучей (метод определения
абсолютной конфигурации молекул)

ионов ( PIXE)
Рентгеновское излучение высокотемпературной плазмы
Рентгеновские лазеры

спектр
рентгеновской трубки
Радиоактивные источники:
55Fe, 109Cd, 241Am, 244Cm

на циклотроне или ядерных реакторах. Радиоактивные изотопы испускают характеристическое и/или

тормозное рентгеновское излучение.

Радиоактивные источники, получившие наиболее широкое распространение: 55Fe, 109Cd, 241Am, 244Cm

трубок примерно в 1012 раз.

температурами < 106 К, т.е. наиболее вероятная энергия частиц в

такой плазме порядка сотни эВ.

Для высокотемпературной плазмы Т > 106 К. Если тмпература 108 К, то энергия частиц окажется порядка 10 кэВ.

Основным источником рентгеновского излучения в высокотемпературной плазме являются свободные электроны. Эти электроны вносят подавляющий вклад в формирование тормозного рентгеновского излучения.

В статистически равновесной системе наиболее вероятная скорость движения частиц определяется максимумом в непрерывном распределении Максвелла:

Соответствующая этой скорости энергия частиц равна:

при котором число частиц в возбужденном состоянии больше числа частиц

в невозбужденном состоянии. Удельная мощность, необходимая для поддержания инверсного состояния, определяется зависимостью:

т.е. удельная мощность обратно пропорциональна четвертой степени длины волны генерируемого лазерного излучения.

Для видимого диапазона (λ~500 нм) достаточна удельная мощность 102-104 Вт/см3.

Для рентгеновского диапазона (λ~0,5 нм) требуется удельная мощность 1014-1016 Вт/см3.
В настоящее время такая мощность наблюдается в ядерном взрыве или в фокусе мощного лазерного источника, работающего в импульсном режиме.

ЯДРА

к которой относится электрон. В рентгеновской спектроскопии обозначение:

n = 1 2 3 4 5 6
Оболочка K L M N O P .

Азимутальное квантовое число l определяет орбитальный угловой момент электрона и характеризует состояние электрона в оболочке. Эти состояния квантованы и могут меняться от 0 до (n-1). Обозначаются как:

l = 0 1 2 3 4 5
Состояние s p d f g h

С учетом сказанного в рентгеновской спектрокопии приняты следующие обозначения рентгеновских уровней атома:

Тип состояния 1s 2s 2p 3s 3p 3d
Обозначение K L1 L2,3 M1 M2,3 M4,5
Двойной индекс обозначает расщепление данного уровня на два близких подуровня.

азимутальными и спиновыми магнитными моментами l и s вводится магнитное

квантовое число ml. Оно принимает следующие значения:

ml = -l, -(l-1), -(l-2), ……0,….., (l-2), (l-1)

Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям
на К- и L- уровнях

возникновение рентгеновского K- и L- излучения
Энергия
Ka
Kb
La
Lb
K – оболочка
L – оболочка
M –

оболочка

N – оболочка

Отсутствующий
электрон

при переходе между уровнями - Δn>0, ℓ=1,

Δj=0,1)

каждой подоболочке

фотоэлектронного поглощения,
М - массовый коэффициент рассеяния

Энергия рентгеновского подуровня:
где

А – 13,6 эВ, Z- порядковый номер элемента,
σ - постоянная экранирования,
n – главное квантовое число

В упрощенном виде энергия рентгеновских квантов будет равна:

Закон Ламберта-Бугера-Бера:

кремния для рентгеновского излучения К-L3,2 Fe равен:
Слой SiO2 (с плотностью

ρ=2,65 г/см3) толщиной 37 мкм уменьшит интенсивность рентгеновского излучения Fe на 50%:

Массовые коэфф. ослабления некоторых элементов для рентгеновского излучения, соответствующего испусканию К-L2,3 (Кα) элементов O, Si, Fe и Ni.

и устройство крепления и ввода образца