Физика

за сваког по нешто

Закочно и карактеристично рендгенско зрачење

Преузми Word документ

Немачки физичар Вилхелм Конрад Рентген је (1895), проучавајући појаве у разређеним гасовима, уочио постојање невидљивих зрака. Уочио је да зраци пролазе кроз слојеве лаких материјала, а да их потпуно апсорбује тек олово дебљине неколико милиметара. Рентген је те зраке назвао Х-зраци, а касније су по њему добили назив рендгенски зраци.

Ови зраци су невидљиви за око, али изазивају јаку видљиву флоуоресценцију у неким кристалима, делују на фотографску плочу и изазивају јонизацију у гасовима.

По својој природи Х-зраци су идентични са светлошћу, разликују се само по томе што имају мање таласне дужине (0,001-80nm). Као и светлост Х-зраци имају таласне особине, које се испољавају приликом интерференције и дифракције.

Рендгенски зраци настају при судару електрона са неком препреком од посебног материјала у вакуумским цевима (притисак у цеви од 0 до 15 Ра). У вакумској цеви се налазе две електроде између којих се успоставља високи напон (104-106 V). Усијана катода емитује електроне, који се убрзавају у јаком електричном пољу између катоде и аноде (енергије електрона: 104-106 еV, а савремени уређаји 102MeV и више).

Електрони ударају великим брзинама у аноду, при чему анода емитује електромагнетно зрачење (Х-зраке).

Постоје две врсте рендгенских зрака: закочни и карактеристилни зраци. Уочава се да се појављују две врсте спектра – континуирани и линијски.

Ако енергија електрона не прелази одређену вредност (карактеристичну за супстанцу од које је направљена анода) емитује се зрачење које је названо закочно зрачење. Оно настаје јер при судару брзих електрона са атомима аноде долази до њиховог наглог кочења (нагла промена брзине). Закочно зрачење се добија на рачун губитка кинетичке енергије електрона због узајамног деловања са атомима (језгрима атома) средине кроз коју пролази. При закочном зрачењу настаје емисија електромагнетних таласа свих таласних дужина – спектар зрачења је континуалан (непрекидан).

За одређену вредност таласне дужине крива расподеле интензитета закочног зрачења има максимум. На већим таласним дужинама интензитет закочног зрачења полако опада. На краћим таласним дужинама интензитет закочног зрачења нагло опада и има вредност нула за неку одређену вредност таласне дужине. Та вредност таласне дужине назива се краткоталасна граница континуалног спектра (\lambda_{g}).

Са повећањем напона повећава се интензитет закочног зрачења, а вредности таласних дужина максимума зрачења и краткоталасне границе закочног рендгенског спектра померају се ка краћим таласним дужинама.

Експериментално је утврђено да краткоталасна граница континуалног спектра зависи само од напона између електрода, а не зависи од хемијског састава аноде. До истог закључка може да се дође и теоријским разматрањем.

Енергија кванта електромагнетног зрачења може да буде мања или једнака енергији електрона:

\frac{hc}{\lambda}\leq eU

па је:

\frac{hc}{\lambda_{g}}= eU

\lambda_{g}= \frac{hc}{eU}

Као што је већ речено, континуалан спектар настаје у случајевима када енергија електрона не прелази неку одређену вредност. Ако је енергија електрона једнака овој одређеној вредности енергије настаје зрачење које се назива карактеристично зрачење. Карактеристично зрачење има дискретан (линијски) спектар.

Карактеристичан случај се јавља када је енергија довољна за јонизацију атома или за премештање електрона у атому на љуске са вишом енергијом. Када је електрон избачен из унутрашњих љуски атома, тада на тим љускама остају слободна места. Електрони са виших љуски се спуштају на празне ниже љуске, при чему емитују енергију (фотон). Пошто сваки атом има карактеристична енергетска стања, емитовани фотони имају тачно одређене таласне дужине.

Карактеристично зрачење се састоји од издвојених линија које се налазе на тачно одређеним таласним дужинама. Вредности ових таласних дужина зависи од материјала од кога је направљена анода. Значи, карактеристично рендгенско зрачење је одређено врстом супстанце од које је направљена анода.

Док је вредност напона између електрода мала појављује се само закочно зрачење. Када напон порасте до одређене вредности поред закочног појављује се и карактеристично рендгенско зрачење.

Карактеристично рендгенско зрачење

 

Шематски приказ серија спектра карактеристичног рендгенског зрачења

Спектралне линије карактеристичног зрачења образују неколико серија (K, L, M, N, O…). Свака серија састоји се од неколико линија означених словима \alpha, \beta, \gamma… (K_{\alpha}, K_{\beta}, K_{\gamma}…, L_{\alpha}, L_{\beta}, L_{\gamma}

Енглески физичар Мозли утврдио је (1913) везу између таласни дужина спектралних линија карактеристичног рендгенског зрачења са редним бројем атома хемијског елемента. Са повећањем редног броја, смањује се таласна дужина.

\frac{1}{\lambda}=R(Z-\sigma)^{2}(\frac{1}{n^{2}}-\frac{1}{m^{2}})           n=1,2,3,...         m=n+1,n+2,n+3,...

m,n – главни квантни бројеви нивоа између који долази до прелаза електрона

R – Ридбергова константа

Z – редни број атома који емитује зрачење

\sigma – константа екранирања – корекција води рачуна о утицају осталих електрона на посматрани електрон (за К серију \sigma=1, док за остале серије ова величина више није константна)

Велика заслуга Мослија је у проверавању редоследа хемијских елемената у периодном систему. Тако је показано да је редни број Co^{27} мањи од редног броја Ni^{28}, иако му је атомска маса већа. Уочена правилност код фреквенција Х-зрачења омогућила је Мозлију да уреди елементе по растућим редним бројевима, а не по атомским масама (како је то рађено по Мендељејеву). Он је такође указао на неке пропусте у периодном систему елемената. Мозли је могао да закључи где би у периодном систему требало да се налазе још увек непознати елементи. Са сигурношћу је могло да се утврди где у периодном систему постоје празна места.

Примена рендгенског зрачења:

  • рендгенска спектрална анализа (на основу карактеристичног спектра распознаје се елемент)
  • помоћу дифракције рендгенског зрачења у кристалима може да се испита структура кристала или да се врши спектрална анализа зрачења
    • 2dsin\theta = k\lambda
    • ако је позната таласна дужина може да се одреди константа кристалне решетке и обрнуто
  • употреба у медицини
    • коефицијент апсорпције рендгенског зрачења зависи од атома у којем се врши апсорпција (већа апсорпција у атомима са већим редним бројем)
    • при пропуштању зрачења кроз људски организам, много мање зрачење пролази кроз кости, него кроз околно меко ткиво – на основу снимка може да се уочи разлика
  • у индустрији
    • испитивање дефеката (недостатака) у материјалима

 


Додатак:

 

 

 

Структура периодног система елемената Квантна теорија атома