Взаимодействие рентгеновских лучей

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
С ВЕЩЕСТВОМ

5. 
   1. Виды взаимодействия
   

П

Рис. 5-1. Важнейшие виды взаимодей­ствия фотонов с веществом.

ри прохождении рентгеновских лучей через какое-нибудь твердое, жидкое или газообразное тело они -взаимодействуют с электронами, а при очень большой жесткости — и ядрами атомов элементов, которые входят в состав вещества это­го тела и при этом теряют часть своей энергии вслед­ствие:

1. 
   истинного поглощения, т. е. превращения их энергии . в другие виды энергии;
   
2. 
   рассеяния, т. е. измене­ния направления распростра­нения лучей без изменения и с изменением длины волны.
   

Первичными элементарными процессами истинного погло­щения рентгеновского излу­чения, т. е. преобразования его энергии в кинетическую энер­гию электронов, являются:

1. 
   фотоэлектрический эф­фект— вырывание электронов .из атомов поглощающего ве­щества и сообщение им кине­тической энергии;
   
2. 
   комптон-эффект — рассеяние с изменением длины волны '■ и передачей части энергии фотона рассеивающему электрону;
   

- 3) образование пар элементарных зарядов — электрона и по­
зитрона — и сообщение им кинетической энергии.
4ivv Эти виды взаимодействия схематически показаны на рис-
$8*1 и более детально рассматриваются в (Следующих параграфах.
:-y -j*^- 5-2. Фотоэлектрический эффект
Поглощение в результате фотоэффекта заключается в том, что энергия квантов рентгеновского излучения затрачивается на вырывание .электронов из атомов поглощающего вещества н со­общение им кинетической энергии.
Число вырываемых электронов, так называемых фотоэлек­тронов, пропорционально интенсивности рентгеновских лучей, а энергия их зависит от длины волны лучей и определяется уравнением:
где
hx—кванты энергии рентгеновских лучей, имеющих частоту v;
W₃—работа вырывания электрона;
W_K = i mo* — кинетическая энергия фотоэлектрона;
при скоростях электронов, сравнимых со скоростью света, выра­жение для кинетической энергии электронов, вытекающее из принципа относительности, имеет вид (см. $ 5-8):
где р= — отношение скорости электрона о к скорости света с.
Вообще можно различать следующие три случая вырывания электронов:

1. 
   Вырывание электронов, слабо связанных с атомами (пе­риферические электроны), т. е. ионизация в наружном слое. Эти фотоэлектроны обладают наибольшими энергиями, так как работа удаления их мала (несколько электронвольт).
   
2. 
   В тех случаях, когда кванты hx рентгеновских лучей, па­дающих на данное тело, настолько велики, что они могут вы­рвать электроны из внутренних слоев атомов поглощающего вещества, возникают фотоэлектроны, обладающие значительно меньшими энергиями, и одновременно возникает характери­стическое рентгеновское излучение. Механизм возникновения характеристического излучения атомами поглощающего .тела, с внутренних слоев которых вырваны электроны, изложен в § 1-27.
   

То, что эти фотоэлектроны обладают относительно малыми энергиями, объясняется, тем, что работа вырывания 'электро­нов W₉ из внутренних слоев атома велика; следовательно, зна­чительная часть энергии кванта hx затрачивается на вырывание внутриатомных электронов, и только остаток ее идет на сооб­щение нм кчнетическо? энергии.
Поглощение рентгetocinx луней и вырывание элетпрбнов этого рода происходит особенно сильно тогда, когда длина волны первичных лучей немного меньше длины волны характе­ристического излучения атомов поглощающего тела. С дальней­шим уменьшением длины волны падающих лучей поглощение и интенсивность вторичного характеристического излучения ослабевают. На рис. 5-2 дана зависимость интенсивности вто­ричного характеристического излучения ^излучения меди от длины волны первичных рентгеновских лучец. При известной длине волны падающих лучей нетрудно вычислить энергии фо­тоэлектронов, вырываемых из различных уров­ней атомов поглощающего тела. Так, если мы будем облучать серебряную пластинку лу­чами вполне определенной длины волны, на­пример Ка-излучением вольфрама, то можно ожидать, что из серебряной пластинки будут вырываться фотоэлектроны, обладающие ки­нетическими энергиями:
w

Рис. 5-2. Зависи­мость интенсивно­сти вторичного
характернее ч е - ского -излуче­ния меди от дли­ны волны первич­ных рентгеновских лучей.

=Av W
W , — ^nyWK_a ^w а* к *
W₂ = h*_{Г/Кв ЯР_{А? L},
^3 ⁼ ^^VWK_a g М ^{И Т}‘ Д*
^гД^е W_AeKt W_Agl, H?_AgM, ... — работы выры­вания электронов из уровней К, L, М, ... ато­мов серебра.
и
Кроме того, при вырывании электронов, например из уровня К атомов серебра, возникает характеристическое К-из- лучение серебра, которое при поглощении в самой пластинке может дать в свою очередь небольшое число электронов, вы­рванных из уровней L и М атомов серебра. Энергии этих элек­тронов не зависят от частоты подающих- на пластинку лучей

определяются очевидными уравнениями:
г_л<1.
Так как скорости этих электронов зависят только от рода атомов' поглощающего тела, то они часто называются фото­электронами флюоресценции или фотоэлектронами второго рода.
Измерения скоростей фотоэлектронов, произведенные мно­гим^ исследователями, ппдтм-рднлк указтич.ч расчеты,
которые нетрудно произвести, так как частота излучения л ра­бота вырывания электронов для различных уровней атомов известны.

3. 
   Анализ распределения (числа) фотоэлектронов по ско­ростям показал, что относительное число фотоэлектронов вто­рого рода слишком велико, того же порядка, как и число фото­электронов первого рода. Дело в том, что если фотоэлектроны второго рода вызваны поглощением вторичного характеристиче­ского излучения серебра в соседних атомах, то число их, опре­деленное по коэффициенту поглощения серебра (см. § 5-13), должно быть очень малым как явление третичное.
   

Это противоречие было разъяснено опытами Оже и др., ко­торые фотографировали пути фотоэлектронов в* камере Виль­сона (см. рис. 6-22). Они обнаружили, что очень часто из одной точки (на фотографии) выходит несколько (два или четыре) фотоэлектрона, причем траектория (длина пробега) одного из них зависит, а траектории остальных не зависят от частоты па­дающего излучения и малы по сравнению с длиной пути пер­вичных фотоэлектронов.
Появление парных траекторий Оже объяснил многократной ионизацией атомов, теория которой состоит в следующем. Пусть величина падающих квантов Av такова, что они могут совер­шить работу W_AgK вырывания электронов из уровня К атома серебра. Тогда будет, равна кинетической энергии выброшенных электронов. Освободившееся место в слое К атома серебра может быть занято электроном, упавшим из слоя L, н'при этом испускается квант характеристического излучения серебра Av_{Af к}.Этот квант может быть поглощен внутри того самого атома, в котором он возник, и при этом произойдет вторичный фотоэффект в слое L. На вырывание этого электрона необходима энергия W_Agl ; по­
Т
этому он получит энергию, равную

еперь в слое L отсутствуют два электрона. Их места могут быть заполнены двумя электронами, упавшими из слоя М с ис­пусканием атомом двух квантов L-излучения, или же освобо­дившаяся энергия может быть поглощена в том же атоме с испусканием двух фотоэлектронов из слоя М. Таким образом, из одного атома может быть одновременно выброшено четыре фотоэлектрона без лучеиспускания (один из уровня К, один из уровня L и два из уровня М). Указанный процесс иллюстри­руется диаграммой рис. 5-3. Теория сложного фотоэффекта под­тверждается измерениями Оже и других не только качественно, но и количественно.
Оказывается, что сложный фотоэффект происходит очень часто, причем в атомах с малым атомным номером многократ­ная ионизация наблюдается чаше, и переходы электронов из удаленных уровней на внутренний в большинстве случаев происходят без испускания рентгеновских лучей* Так, у Фотожктт аргона только 7% переходов совершается с лучеиспускани­ем, у криптона—40%; соот­ветствующие цифры для мо­либдена— 67—69%, для селе­на — 53—56%, для никеля —
3