Intensitatea dispersiei cu raze X. Factorul de împrăștiere atomică. Împrăștiați raze X pe electroni în atomi. Mișcări oscilante unidimensionale
Spre deosebire de multe speculații speculații speculative, modelul Thomson sa bazat pe fapte fizice, care nu numai că a justificat modelul, ci și anumite instrucțiuni cu privire la numărul de corpuscule din atom. Primul fapt este împrăștiat raze de raze X, sau, așa cum a spus Thomson, apariția razelor X secundare. Thomson consideră radiații cu raze X ca pulsații electromagnetice. Atunci când astfel de pulsații cad pe atomi care conțin electroni, apoi electroni, venind într-o mișcare accelerată, emit deoarece descrie formula larmor. Cantitatea de energie emisă pe unitate de timp de către electroni situată într-o unitate de volum va fi
unde n este numărul de electroni (corpuscles) pe un volum de unitate. Pe de altă parte, accelerarea electronului
unde E P este intensitatea domeniului radiației primare. În consecință, intensitatea radiației împrăștiate
Deoarece intensitatea radiației incidente în funcție de teorema indicatoare este egală cu
apoi raportul dintre energia împrăștiată la primar
Charles Glover Barkla.În 1917, Premiul Nobel pentru deschiderea razelor X caracteristic a fost în 1899-1902. "Studenți-cercetător" (studenți absolvenți) la Thomson în Cambridge și aici a devenit interesat de raze X. În 1902, a fost profesor al unui colegiu universitar din Liverpool, iar aici, în 1904, explorau radiațiile secundare de raze X, a descoperit polarizarea, care a coincis complet cu predicțiile teoretice ale lui Thomson. În experiența finală din 1906, Barclay a forțat pachetul primar să disipeze atomii de carbon. Bundurul împrăștiat a căzut perpendicular la fasciculul primar și aici împrăștiate din nou cu carbon. Acest fascicul terțiar a fost complet polarizat.
Studierea împrăștierii razelor de raze X de la atomii de lumină, Barclay în 1904 a constatat că natura razelor secundare este aceeași cu cea primară. Pentru raportul dintre intensitatea radiației secundare la primar, a găsit o magnitudine care nu depinde de radiația primară, densitatea proporțională a substanței:
Din formula Thomson
Dar densitatea \u003d N A / L, unde a este greutatea atomică a atomului, n este numărul de atomi din 1 cm3., L este numărul de avogadro. Prin urmare,
Dacă puneți numărul de corpuscule într-un atom egal cu z, atunci n \u003d nz și
Dacă înlocuim înlocuitorul valorii E, M, L, atunci vom găsi K. în 1906, când numerele E și M nu erau exact cunoscute, Thomson a găsit din măsurătorile Barclay-ului pentru aer, care Z \u003d A., adică numărul de corpuscule din atom este greutatea atomică. Valoarea K, obținută pentru atomii de bare de lumină în 1904, a fost K \u003d 0,2. Dar în 1911, Barclay, folosind datele rafinate Bayer pentru E / M, valorile lui E și L obținute de Rootford. și Giger., primit K \u003d 0,4., prin urmare Z \u003d 1/2.. După cum sa dovedit, acest raport este bine realizat în câmpul de nuclee de lumină (cu excepția hidrogenului).
Teoria Thomson a ajutat la înțelegerea unui număr de probleme, dar și mai multe probleme rămase nerezolvate. Suflarea decisivă a acestui model a fost provocată de experimentele lui Rutherford 1911, care vor fi menționate mai departe.
Un atom de model inelar similar sugerat în 1903 de către fizicianul japonez Nagawa. El a sugerat că în centrul atomului există o încărcătură pozitivă, în jurul căreia inelele de electroni sunt tratate ca inelele Saturn. El a reușit să calculeze perioadele de oscilații efectuate de electroni cu deplasări minore în orbitele lor. Frecvențele obținute astfel, mai mult sau mai puțin aproximativ descris liniile spectrale ale unor elemente *.
* (De asemenea, trebuie remarcat faptul că modelul planetar al atomului a fost propus în 1901. J. Perenom. El a menționat această încercare în prelegerea Nobel, citită la 11 decembrie 1926.)
25 septembrie 1905 la cel de-al 77-lea Congres al naturaliștii germani și medici cu un raport privind electronii V. Win. În acest raport, el, apropo, a declarat următoarele: "Explicația liniilor spectrale este, de asemenea, importantă pentru teoria electronică. Deoarece fiecare element corespunde unei anumite grupuri de linii spectrale, pe care le emite, fiind într-o stare de stare strălucirea, atunci fiecare atom trebuie să reprezinte un sistem constant. Ar fi cel mai simplu mod de a reprezenta un atom ca un sistem planetar constând dintr-un centru încărcat pozitiv, în jurul căruia se întoarce, cum ar fi planetele, electronii negativi, dar un astfel de sistem nu poate fi neschimbat Datorită energiei radiate. Prin urmare, suntem forțați să ne referim la sistemul în care electronii sunt în pace relativă sau posedă viteze nesemnificative - prezentarea în care conține o mulțime de dubioși.
Se îndoiește că acestea sunt și mai mari, deoarece sunt descoperite noi proprietăți misterioase ale radiațiilor și atomilor.
Pentru lucrați la stres ridicatCa și în cazul radiografiei asupra solicitărilor convenționale, este necesar să se utilizeze toate modalitățile cunoscute de combatere a radiației cu raze X împrăștiate.
număr razele X-Rays împrăștiate Se scade cu o scădere a câmpului de expunere, care se realizează prin restricție în diametrul pachetului de operare al razelor cu raze X. Cu o scădere a câmpului de expunere, la rândul său, rezoluția imaginii cu raze X este îmbunătățită, adică dimensiunea minimă a părții determinate parțiale scade. Pentru a limita în diametrul pachetului de lucru al razelor X, diafragmele sau tuburile înlocuibile nu sunt suficiente.
Pentru a reduce cantitatea razele X-Rays împrăștiate Ar trebui aplicat acolo unde este posibilă compresie. Atunci când comprimarea, grosimea obiectului studiat scade și, desigur, devine mai mică, devine mai puțin centre pentru formarea radiațiilor cu raze X împrăștiate. Pentru comprimare, se utilizează curele speciale de compresie, care sunt incluse în aparatul de diagnosticare radiode, dar nu sunt adesea utilizați suficient.
Numărul de radiații împrăștiate Scade odată cu creșterea distanței dintre tubul cu raze X și pe film. Cu o creștere a acestei distanțe, iar diafragma corespunzătoare este obținută mai puțin constând pe partea laterală a grămadei de lucru a razelor X. Cu o creștere a distanței dintre tubul cu raze X și pe film, este necesar să se reducă câmpul de expunere la dimensiunile minime posibile. Nu ar trebui să fie "întrerupt" zona studiată.
În acest scop, în ultimul construcții Dispozitivele de diagnosticare cu raze X sunt prevăzute cu un tub piramidad cu un centru de lumină. Cu aceasta, se realizează nu numai pentru a limita zona detașabilă pentru a îmbunătăți calitatea imaginii cu raze X, dar și este exclusă iradierea excesivă a acelor părți ale corpului uman care nu sunt supuse radiografiei.
Pentru a reduce cantitatea razele X-Rays împrăștiate Partea studiată a obiectului ar trebui să fie cât mai aproape posibil de filmul cu raze X. Acest lucru nu se aplică radiografiei cu o creștere directă a imaginii cu raze X. Cu radiografie cu o creștere directă a imaginii, studiul împrăștiat practic nu ajunge la filmul cu raze X.
Pungi de nisip utilizate pentru fixare Obiectul studiat, este necesar să se plaseze mai departe de casetă, deoarece nisipul este un mediu bun pentru formarea radiației cu raze X împrăștiate.
Cu radiografieFabricat pe masă fără a utiliza o zăbrele de fixare, sub o casetă sau un plic cu un film trebuie să fie împinsă de o foaie de cauciuc luminos posibil dimensiuni mari.
Pentru absorbție razele X-Rays împrăștiate Explorați grilele cu raze X sunt utilizate, care absorb aceste raze atunci când ies din corpul uman.
Mastering Technology. producția de imagini cu raze X Cu tensiuni ridicate pe tubul cu raze X, este calea care ne aduce la o schimbare ideală de raze X, adică un astfel de instantaneu, care este clar vizibil în detaliile și osul și țesutul moale.
Difuză dispersare x-raze - împrăștierea razelor cu raze X în direcții, pentru că la-ryh nu este efectuată Bragg - condiție de wolfa.
Într-o cristal ideal, împrăștierea elastică a atomilor de valuri situate în locurile periodice. Grills, datorită determinării. directii. Vector Q.Coincid cu instrucțiunile vârfului grilajului de întoarcere G.: Q \u003d K. 2 -k. 1, unde k. 1 I. k. 2 - vectori de valuri de cădere și împrăștiate, respectiv. Distribuția intensității împrăștierii în spațiul de zăbrele reverse este un set de vârfuri în formă de D de laau - Bragg în nodurile zăbrească reverse. Deplasările atomilor din grilele de rețea încalcă periodicitatea cristalului și interferența. Imaginea se schimbă. În acest caz, în distribuția intensității împrăștiere, împreună cu maxima (persistentă, dacă într-un cristal distorsionat puteți selecta periodic mediu. Grila), apare o componentă netedă I 1 (Q)Corespunzător lui D. R. R. L. pe imperfecțiunile cristalului.
Împreună cu împrăștierea elastică, D. R. R. L. Se poate datora proceselor inelastice însoțite de excitarea substituției electronice a cristalului, adică împrăștierea comptonului (vezi Efect compton) și împrăștierea cu excitarea plasmatică (vezi Plasma de stat solid). Folosind calcule sau specialități. Experimentele Aceste componente pot fi excluse, alocând D.P. R. L. pe imperfecțiunile cristalului. În substanțe amorfe, lichide și gazoase, unde nu există o comandă pe distanțe lungi, împrăștierea este difuzată numai.
Distribuția intensității I 1 (Q) D. R. R. L. cristal într-o gamă largă de valori Q.Corespunderea întregii celule elementare a zăbrelelor inverse sau a mai multor celule conține informații detaliate privind caracteristicile cristalului și imperfecțiunile sale. Experimental I 1 (Q) Se poate obține utilizând o metodă utilizând monocrom. X-Ray și permițând rotirea cristalului în jurul diferitelor axe și modificați direcțiile vectorilor valurilor k 1, K 2, variind, t. o., Q. Într-o gamă largă de valori. Pot fi obținute informații mai puțin detaliate Metoda Debye - Sherryra sau Metoda de lae.
În cristalul perfect d.r.l. Datorită deplasărilor termice și zero oscilații Atomii grilajului și pot fi asociate cu procesele de emisie și absorbție a unuia sau a mai multor. . La mic Q. OSN. Rolul joacă împrăștierea unei componente și numai fonoanele sunt încântați sau dispărute. q \u003d q-gUnde G.- lattice inverse, cea mai apropiată Q.. Intensitatea unei astfel de împrăștiate I. 1t ( Q.) În cazul cristalelor ideale unice, este determinată de F-Loi
unde N. - numărul de celule de cristal elementar, f.- amplitudinea structurală, - Factorul lui Waller debye, T - masa atomului,
- începe și. Vectori de fonoane j.- ramuri cu un vector de undă q.. Cu mici q. frecvențe, adică atunci când se apropie de nodurile reverse de lattice, ca 1 / q. 2. Determinarea vectorilor q., direcții paralele sau perpendiculare, în cristale cubice, unde este clar definită de considerați, puteți găsi frecvențe de oscilație pentru aceste direcții.
În cristalele nonideal, defectele endimensionale conduc la slăbirea intensităților reflexiilor corecte. I. 0 (Q.) Și la d.r.r.l. I 1 (Q) Pe static. deplasările și modificările amplitudinilor structurale cauzate de defecte ( s. - numărul de celule aproape de defecte, -til sau orientare de defecțiune). În cristale slab distorsionate, cu o concentrație scăzută de defecte (- defecte de cristal) și 
Intensitate d.r.r.l.
unde și -componenții Fourier.
Deplasarea scade cu distanța r. de la defect ca 1 / r. 2, ca rezultat, cu mic q. și în apropierea nodurilor reverse de zăbrele I 1 (Q) crește ca 1 / q. 2. Colţ dependență I 1 (Q) diferit calitativ pentru defectele diferitelor tipuri și simetrie și valoarea I 1 (Q) Determină amploarea distorsiunii în jurul valorii defect. Distribuția de studiu I 1 (Q) În cristale care conțin defecte de punct (de exemplu, atomii interstițiali și posturile vacante în materiale iradiate, atomii de impuritate în soluții solide slabe) fac posibilă obținerea unor informații detaliate despre tipul de defecte, simetria lor, poziția în rețea, configurația formării atomilor Defectele, tensoarele dipolează forțele, cu defecte K-Fish acționează pe cristal.
La combinarea defectelor punctului în intensitatea grupului I 1. în zona mică q. Ea crește foarte mult, dar se dovedește a fi axată în zone relativ mici ale distanței reverse din apropierea nodurilor sale și când ( R 0. - Dimensiunile defectului) scade rapid.
Studiul regiunilor intensive D. R. R. L. Aceasta face posibilă explorarea dimensiunilor, formei etc. Caracteristicile particulelor din cea de-a doua fază în soluțiile de îmbătrânire; Bucle mici de rază în iradiate sau deformante. Materiale.
Cu ea înseamnă. Concentrațiile de defecte mari ale cristalului sunt foarte distorsionate nu numai la nivel local defecte, ci în general, astfel încât în \u200b\u200bcea mai mare parte a volumului său. Ca rezultat, factorul de debit este Waller și intensitatea reflecțiilor corecte I 0. Scăderea exponențială și distribuția I 1 (Q) Este reconstruit calitativ, formând mai multe vârfuri strămutate din nodurile de zăbrete inverse, lățimea to-ryy depinde de dimensiunea și concentrația defectelor. Experimental, ele sunt percepute ca vârfuri de brag convenite (quasilia pe datorie), iar în unele cazuri este observată difracția. Dublete constând din perechi de vârfuri I. 0 I. I 1.. Aceste efecte se manifestă în aliaje de îmbătrânire și materiale iradiate.
În concentric. Soluții, cristale comandate cu o singură componentă, nonidealitatea feroelectrică datorită neimploomenului. Defecte și flukuz. Neomogenități de concentrare și internă. Parametrii I. I 1 (Q) Este convenabil să se ia în considerare ca împrăștiere q.. Fluubar. Valul acestor parametri ( q \u003d q-g). De exemplu, în soluții binare A - B cu un atom în celulă în diseminarea împrăștierii pe statică. deplasările
unde f. Ai. f B.- factori de atomi de împrăștiere A și B, din - parametrii de concentrație ai corelației, - probabilitatea de înlocuire a perechii de noduri separate de vectorul de grilă dar, Atomii A. Identificați I 1 (Q) În întreaga celulă a lattice reverse și conducerea transformării Fourier Fourier, puteți găsi pentru Split. Coordonali. sferes. Împrăștiați pe statistică. Offseturile sunt excluse pe baza datelor de intensitate I 1 (Q) în câteva Celulele lattice inverse. Distribuții I 1 (Q) Poate fi folosit, de asemenea,. Definiții de eficientizare a energiei pentru diferite dar În modelul de interacțiune pereche și termodinamic. Caracteristici. Caracteristici d.r.r.l. Metal. Soluțiile au permis dezvoltarea difracției. Metodă de cercetare suprafața agricolă Aliaje.
În sistemele situate la state aproape de punctele de tranziție a fazei a celui de-al doilea tip și critic. Puncte pe curbe de decădere, fluctuațiile cresc brusc și devin la scară largă. Ele provoacă critici intense. D. R. R. L. În vecinătatea nodurilor reverse de zăbrele. Cercetările sale vă permite să obțineți informații importante despre caracteristicile tranzițiilor de fază și al comportamentului termodinamic. Valori în apropierea punctelor de tranziție.
Împrăștierea difuză a neutronilor termici pe statistică. Heterogenități similare cu D. R. R. L. și descrise de F-Las similare. Studiul împrăștierii neutronilor face posibilă explorarea dinamicii. Caracteristicile oscilațiilor atomilor și fluctuațiilor. ne-rude (vezi Neutroni incompleți de împrăștiați).
LIT: James R., principiile optice ale difracției cu raze X, per. Din engleză, M., 1950; Iveronova V. I., Revkivich G. P., Teoria dispersiei cu raze X, 2 ed., M., 1978; Iveronova V. I., Katsnelson A. A., Ordinul de mijloc în soluții solide, M., 1977; Cauli J., Difracția fizicii, per. Din engleză, M., 1979; Crimante M A., Difracția razelor X și a neutronilor în cristalele nonideal, K., 1983; Împrăștierea difuză a razelor X și a neutronilor asupra neomogenităților de fluctuație în cristalele nealide, K., 1984.
M. A. Krivzazy..
Ex \u003d Ex0 COS (WT - K0 Z + J0) EY \u003d EY0 COS (WT - K0 Z + J0)
Bx \u003d bx0 cos (wt - k0 z + j0) de \u003d by0 cos (wt - k0 z + j0)
În cazul în care T este timpul, W este frecvența radiației electromagnetice, K0 este un număr de val, J0 - faza inițială. Numărul de undă este un modul vectorial de undă și invers proporțional cu lungimea de undă K0 \u003d 2π / l. Valoarea numerică a fazei inițiale depinde de selectarea punctului inițial de T0 \u003d 0. Valorile lui EX0, EY0, BX0, BY0 sunt amplitudini ale componentelor corespunzătoare (3.16) de lungimi de undă electrice și magnetice.
Astfel, toate componentele (3.16) cu un val electromagnetic plat sunt descrise de funcțiile armonice elementare ale formei:
Y \u003d A0 COS (WT - KZ + J0) (3.17)
Luați în considerare împrăștierea unui val plat cu raze X monocromatice pe o multitudine de atomi ai eșantionului în studiu (pe o moleculă, un cristal finit-dimensional etc.). Interacțiunea unui val electromagnetic cu electroni de atomi duce la generarea de valuri electromagnetice secundare (împrăștiate). Conform electrodinamicii clasice, împrăștierea pe un electron separat are loc în unghiul corpului de 4p și are o anizotropie substanțială. Dacă radiația primară de raze X nu este polarizată, densitatea fluxului de radiație a undelor împrăștiate este descrisă de următoarea funcție
(3.18)unde I0 este densitatea fluxului de radiații primare, R este distanța de la punctul de împrăștiere până la locul înregistrării radiației împrăștiate, Q este un unghi polar de împrăștiere, care este numărat din direcția vectorului de undă al planului primar Wave K0 (vezi Fig.3.6). Parametru
»2.818 × 10-6 nm (3. 19)din punct de vedere istoric, o rază clasică de electroni.
Fig.3.6. Unghiul de împrăștiere polară Q a undă primară plat pe o mică crideways cr.
Un anumit unghi q stabilește o suprafață conică în spațiu. Mișcarea corelată a electronilor din interiorul atomului complică anizotropia radiației împrăștiate. Amplitudinea valului de raze X, atomul difuz, este exprimată utilizând funcția lungimii de undă și a unghiului polar F (Q, L), care se numește o amplitudine atomică.
Astfel, distribuția unghiulară a intensității valului de raze X, un atom împrăștiat, este exprimată prin formula
(3. 20)
și are simetrie axială față de direcția vectorului de undă a valului primar de k0. Pătratul amplitudinii atomice F 2 este numit un factor nuclear.
De regulă, în instalațiile experimentale pentru studii structurale și raze X cu raze X, detectorul razelor X împrăștiate este situat la o distanță de R care depășește semnificativ dimensiunile probei de împrăștiere. În astfel de cazuri, fereastra de intrare a detectorului se taie din suprafața fazei constante a valului împrăștiat un element care poate fi plasat cu o precizie ridicată.
Fig.3.8. Diagrama de împrăștiere geometrică a razei raze X pe atomii probei 1 în condiții de difracție de difracție.
2 - Detector de raze X, K0 - Wave Vector primar de raze X, săgeți de bare descriu fluxurile de raze primare X, coduri de bare dotate - fluxuri X-Rays împrăștiate. Cercurile indică atomii eșantionului studiat.
În plus, distanțele dintre atomii adiacenți ai eșantionului iradiat sunt mai multe ordine de mărime mai mică decât diametrul ferestrei de intrare detectorului.
În consecință, în această geometrie a înregistrării, detectorul percepe fluxul undelor plate împrăștiate de atomii individuali, iar vectorii de valuri ai tuturor undelor împrăștiate pot fi luate în considerare cu o paralelă de înaltă precizie.
Caracteristicile de mai sus ale împrăștierii razelor X și înregistrarea lor istoric au primit numele difracției Fraunhofer-ului. Această descriere aproximativă a procesului de împrăștiere cu raze X în structurile atomice vă permite să calculați modelul de difracție (distribuția unghiulară a intensității radiației împrăștiate) cu o precizie ridicată. Dovada este că aprovizionarea difracției de difracție se bazează pe metode de difracție cu raze X ale substanței, care permit determinarea parametrilor celulelor elementare de cristale pentru a calcula coordonatele atomilor, pentru a seta prezența unor faze diferite în eșantion , pentru a determina caracteristicile defectuosului de cristale etc.
Luați în considerare o probă cristalină dintr-o dimensiune mică care conține un număr finit de atomi N cu un număr chimic specific.
Introducem un sistem de coordonate dreptunghiulare. Începutul său este compatibil cu centrul uneia dintre atomi. Poziția fiecărui centru al atomului (centru de împrăștiere) este stabilită de trei coordonate. XJ, YJ, ZJ, unde J este numărul de secvență al atomului.
Lăsați eșantionul studiat expus la un val de razei primare primare, cu un vector de undă K0 direcționat paralel cu axa OZ a sistemului de coordonate selectat. În acest caz, valul primar este reprezentat de funcția formularului (3.17).
Dispersarea razelor X pe atomi poate fi atât inelastică, cât și elastică. Distrugerea elastică are loc fără a schimba lungimea de undă a radiației cu raze X. Cu împrăștierea inelastică, lungimea de undă de radiații crește, iar valurile secundare sunt incoerente. Următoarele sunt considerate doar împrăștierea elastică a razelor X pe atomi.
Denotați L - Distanța de la începutul coordonatelor la detector. Propunem ca condițiile de difracție Fraunhofer să fie efectuate. Acest lucru înseamnă, în special, că distanța maximă dintre atomii probei iradiate este mai mică ordine de mărime mai mică decât distanța L. În acest caz, elementul sensibil al detectorului este expus la valuri plate cu vectori de undă paralelă K. Modulele tuturor vectorilor sunt egale cu modulul vectorului de undă K0 \u003d 2π / l.
Fiecare val plat determină o oscilație armonică cu frecvență
(3.21)Dacă valul primar este aproximat în mod satisfăcător de o armonică plată, atunci toate valurile secundare (atomi împrăștiate) sunt coerente. Diferența în fazele multiplelor valuri depinde de diferența în cursul acestor valuri.
Vom cheltui de la începutul coordonatelor la localizarea ferestrei de introducere a detectorului axei auxiliare sau. Apoi, fiecare propagare secundară în direcția acestei axe poate fi descrisă de funcția
y \u003d A1 FCOS (WT-KR + J0) (3.22)
În cazul în care amplitudinea A1 depinde de amplitudinea valului primar A0, iar faza inițială J0 este aceeași pentru toate undele secundare.
Valul secundar emis de atom la începutul coordonatelor va crea o oscilație a elementului sensibil al detectorului descris de funcția
A1 F (Q) COS (WT - KL + J0) (3.23)
Alte valuri secundare vor crea oscilații la aceeași frecvență (3.21), dar diferă de la funcția (3.23) prin schimbarea de fază, care, la rândul său, depinde de diferența în cursul undelor secundare.
Pentru un sistem de valuri monocromatice coerente plate care se deplasează într-o anumită direcție, fluxul relativ de schimbare DJ este direct proporțional cu diferența în cursul DL
DJ \u003d K × DL (3.24)
unde k este un număr de val
k \u003d 2π / l. (3.25)
Pentru a calcula diferența în cursul valurilor secundare (3.23), presupuneți mai întâi că eșantionul iradiat este un lanț unidimensional de atomi situați de-a lungul axei coordonatei OX (vezi Fig.3.9). Coordonatele atomice sunt setate de numerele XI, (J \u003d 0, 1, ..., N - 1), unde X0 \u003d 0. Suprafața fazei constante a undelor plat primare este paralelă cu lanțul atomilor și Vectorul de valuri K0 este perpendicular pe el.
Vom calcula modelul de difracție plat, adică. Distribuția unghiulară a intensității radiației împrăștiate în planul prezentat în Fig.3.9. În acest caz, orientarea locației detectorului (cu alte cuvinte, direcția auxiliarului sau) este setată de unghiul de împrăștiere, care este numărat din axa OZ, adică. Din direcția vectorului de undă K0 al valului primar.
Fig.3.9. Diagrama geometrică a difracției de difracție într-un plan predeterminat pe lanțul drept al atomilor
Fără pierderea generalității raționamentului, se poate presupune că toți atomii sunt localizați pe jumătatea dreaptă a axei. (cu excepția unui atom situat în centrul coordonatelor).
Deoarece se efectuează condițiile de difracție a difracției de difracție, vectorii de valuri ai tuturor valurilor împrăștiate de atomi vin la fereastra de intrare detectorului cu vectori de undă paralelă K.
Figura 3.9 Rezultă că valul emis de un atom cu coordonata XI trece distanța față de detectorul L - Xisin (Q). În consecință, oscilația elementului sensibil al detectorului cauzat de un val secundar emis de un atom cu coordonatul XI este descris de funcția
A1 F (Q) COS (WT - K (L-XJ SIN (Q)) + J0) (3.26)
O specie similară au valurile rămase rămase, introducând fereastra detectorului situată într-o poziție dată.
Mărimea fazei inițiale J0 este determinată, în esență, punctul de la începutul timpului. Nimic nu împiedică alegerea lui J0 egală cu -KL. Apoi va fi prezentă mișcarea elementului sensibil al detectorului
(3.27)
Aceasta înseamnă că diferența dintre mișcarea valurilor împrăștiate de atomii cu coordonate Xi și X0 este -xisin (Q), iar diferența de fază corespunzătoare este egală cu Kxisin (Q).
Oscilațiile de frecvență W a undelor electromagnetice ale razei X-Ray este foarte mare. Pentru razele X cu o lungime de undă L \u003d Å, frecvența w în ordinea mărimii este de ~ 1019 S-1. Echipamentul modern nu poate măsura valorile instantanee ale câmpurilor electrice și magnetice (1) cu astfel de modificări rapide în câmpuri, astfel încât toate detectoarele cu raze X înregistrează valoarea medie a pătratului amplitudinii oscilațiilor electromagnetice.
Radiația cu raze X se numește valuri electromagnetice cu o lungime de aproximativ 80 până la 10 -5 nm. Cea mai lungă radiație cu raze X este suprapusă prin ultraviolete cu undă scurtă, shortwave - radiații de valuri lungi. Prin metoda de excitație, razele X sunt împărțite în frânare și caracteristică.
31.1. Dispozitivul tubului cu raze X. Frână x-raze
Cea mai obișnuită sursă de radiație cu raze X este un tub cu raze X, care este un dispozitiv vaccin de două electrod (fig.31.1). Catod încălzit 1 Eggles electroni 4. Anodul 2, numit adesea un anticatod, are o suprafață înclinată pentru a direcționa radiația cu raze X rezultată 3 La un unghi la axa tubului. Anodul este fabricat dintr-un material bine capăt pentru îndepărtarea căldurii generate de electroni. Suprafața antidicată este realizată din materiale refractare având un număr de secvență mare de atom în tabelul Mendeleev, de exemplu, de la tungsten. În unele cazuri, anodul este răcit în mod specific cu apă sau ulei.
Pentru tuburile de diagnosticare, sursa sursei de raze X este importantă, care poate fi realizată prin concentrarea electronilor într-un singur loc al anticorpului. Prin urmare, este necesar să se țină seama de două sarcini opuse: pe de o parte, electronii ar trebui să cadă pe un singur loc Anod, pe de altă parte, pentru a preveni supraîncălzirea, este de dorit să se distribuie electroni de diferite părți ale anodului. Deoarece una dintre soluțiile tehnice interesante este un tub cu raze X cu un anod rotativ (fig.3.2).
Ca urmare a decelerației electronice (sau a altor particule încărcate), câmpul electrostatic al nucleului atomic și electronii atomici ai substanței anticatodice are loc frână X-Ray.
Mecanismul poate fi explicat după cum urmează. Cu o încărcare electrică în mișcare, este conectat un câmp magnetic, a cărei inducție depinde de viteza electronică. La frânare, magnetic
inducerea și în conformitate cu teoria lui Maxwell, apare un val electromagnetic.
La frânarea electronilor, numai o parte din energie merge la crearea unui foton al radiației cu raze X, cealaltă parte este cheltuită pentru încălzirea anodului. Deoarece raportul dintre aceste părți este aleatoriu, atunci la frânarea unui număr mare de electroni, se formează un spectru continuu de radiații cu raze X. În legătură cu aceasta, radiația de frânare este denumită și solidă. În fig. 31.3 Dependențele fluxului de raze X de la lungimea de undă λ (spectre) sunt prezentate la diferite tensiuni în tubul cu raze X: U 1.< U 2 < U 3 .
În fiecare spectre, cea mai scurtă radiație de frânare λ ηίη Alta are loc atunci când energia achiziționată de electron în câmpul de accelerare se deplasează pe deplin în energia fotonică:
Rețineți că, pe baza (31.2), au fost dezvoltate una dintre cele mai exacte metode de definiție experimentală a unei plăci constante.
Radiațiile cu raze X Shortwave are, de obicei, o capacitate mai mare de penetrare decât undă lungă și numită greuȘi undă lungă - moale.
Creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, schimbați compoziția spectrală a radiației, așa cum se poate observa din fig. 31,3 și formula (31,3) și crește rigiditatea.
Dacă creșteți temperatura catodului, emisia de electroni va crește, iar curentul din tub va crește. Acest lucru va duce la o creștere a numărului de fotoni ai radiațiilor cu raze X emise în fiecare secundă. Compoziția spectrală nu se va schimba. În fig. 31.4 Afișarea spectrelor radiației cu raze X de frână la o tensiune, dar cu diferite puteri ale curentului de căldură catod: / H1< / н2 .
Fluxul radiației cu raze X se calculează cu formula:
unde U.și I -tensiune și curent în tubul cu raze X; Z.- numărul de secvență al atomului de substanță anod; k.- Coeficientul de proporționalitate. Spectre obținute din diferite anticatode cu aceleași U.și i, descris în Fig. 31.5.
31.2. Radiații cu raze X caracteristice. Atomic X-Ray Spectre
Creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, poate fi văzută pe fundalul unui spectru solid aspectul unei linii, care corespunde
radiații cu raze X caracteristice(Figura 31.6). Se datorează datorită faptului că electronii accelerați penetrează în adâncurile atomului și electronilor sunt loviți din straturile interioare. Electronii de la nivelurile superioare se deplasează în spații libere (fig.31.7), sunt afișate fotonii radiației caracteristice. După cum se poate observa din figură, radiația cu raze X caracteristică constă într-o serie K, L, Metc., numele a fost servit pentru a desemna straturi electronice. Deoarece radiația seriei K este eliberată în straturi mai mari, liniile din alte serii sunt, de asemenea, emise în același timp.
Spre deosebire de spectrele optice, spectrele caracteristice cu raze X ale atomilor diferiți de același tip. În fig. 31,8 prezintă spectrele diferitelor elemente. Același tip de spectre se datorează faptului că straturile interioare din diferite atomi sunt aceleași și diferă numai de energie, deoarece efectul de putere pe partea laterală a nucleului crește ca numărul de secvență al elementului crește. Această circumstanță duce la faptul că spectrele caracteristice sa schimbat spre frecvențe mari, cu o creștere a încărcării kernelului. Acest model este vizibil din fig. 31,8 și cunoscut sub numele de legea Moseli:
unde v - frecvența liniei spectrale; Z- numărul atomic al elementului emitent; DAR și ÎN - Permanent.
Există o altă diferență între spectrele optice și raze X.
Spectrul de raze X caracteristic al atomului nu depinde de compusul chimic în care este inclus acest atom. De exemplu, un spectru de raze X a unui atom de oxigen este același pentru O, O2 și H20, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși sunt semnificativ diferite. Această caracteristică a razei X a atomului a servit ca bază pentru numele caracteristică.
Radiația caracteristică apare întotdeauna în prezența unui spațiu liber în straturile interioare ale atomului, indiferent de cauza care a cauzat-o. De exemplu, radiația caracteristică însoțește unul dintre tipurile de decădere radioactivă (vezi 32.1), care se află în confiscarea miezului electronic din stratul interior.
31.3. Reacția cu raze X cu substanța
Înregistrarea și utilizarea radiațiilor cu raze X, precum și efectul acestuia asupra obiectelor biologice, sunt determinate de procesele primare de interacțiune a fotonului cu raze X cu electroni de atomi și molecule de materie.
În funcție de raportul de energie hV.photon și Energia Ion-Zing 1 A și au trei procese principale.
Coerentă (clasică) împrăștiată
Disiparea radiației cu raze X cu undă lungă are loc în principal fără a schimba lungimea de undă și se numește coerent.Se întâmplă dacă energia fotonică este mai mică decât energia ionizării: hV.< A și.
Deoarece în acest caz, energia fotonului radiației cu raze X și a atomului nu se schimbă, atunci dispersarea coerentă nu provoacă acțiuni biologice. Cu toate acestea, atunci când creați protecție împotriva radiației cu raze X, trebuie luată în considerare posibilitatea schimbării direcției fasciculului primar. Acest tip de interacțiune este important pentru analiza structurală cu raze X (a se vedea 24.7).
Distrugerea non-coerentă (efect componton)
În 1922 a.h. Combton, observând împrăștierea razelor X rigide, a descoperit o scădere a capacității de penetrare a fasciculului împrăștiat comparativ cu incidentul. Acest lucru înseamnă că lungimea de undă a radiației cu raze X împrăștiate este mai mare decât incidentul. Se numește împrăștierea cu raze X cu o schimbare de lungime de undă non-coerentși fenomenul însuși - efectul de compton.Apare dacă energia unei radiații cu raze X foton este mai mare decât energia ionizării: hV\u003e A și.
Acest fenomen se datorează faptului că atunci când interacționează cu un atom hV.photon este cheltuit pe formarea unei noi fotoni împrăștiați de radiații cu raze X cu energie hV ",la separarea unui electron dintr-un atom (energia ionizării A și) și un mesaj electron de energie cinetică E la:
hV \u003d HV "+ A și + E la.(31.6)
1 Aici, sub energia ionizării, energia necesară pentru îndepărtarea electronilor interni dincolo de atom sau moleculă este înțeleasă.
Deoarece în multe cazuri hV.\u003e\u003e A și, de asemenea, efectul compunei apare pe electroni liberi, atunci puteți înregistra aproximativ:
hV \u003d HV "+ E K.(31.7)
În esență, în acest fenomen (fig.31.9), împreună cu radiațiile secundare de raze X (energie hV.Electronii de rambursare "foton) apar (energia cinetică E k.electron). Atomi sau molecule în același timp devin ioni.
Photoeffect.
În fotofice, radiația cu raze X este absorbită de atom, ca rezultat al căreia zboară electronică și atomul este ionizat (fotonizare).
Cele trei procesuri principale de interacțiune discutate mai sus sunt primare, acestea conduc la secundar ulterior, terțiar etc. Fenomene. De exemplu, atomii ionizați pot emite un spectru caracteristic, atomi excitați pot deveni surse de lumină vizibilă (raze X și aeronavei) etc.
În fig. 31.10 O diagramă a posibilelor procese care decurg din radiațiile cu raze X într-o substanță. Pot exista câteva zeci de procese similare cu cele prezentate înainte ca energia fotonului cu raze X să treacă la energia mișcării moleculare-termice. Ca rezultat, se vor produce modificări ale compoziției moleculare ale substanței.
Procesele reprezentate de schema din fig. 31.10, fenomenele subliniate observate sub acțiunea radiațiilor cu raze X asupra substanței. Listează unele dintre ele.
Amuitate cu raze X- strălucirea unei serii de substanțe cu iradiere cu raze X. O astfel de strălucire a barului platinosirodist a permis razelor X pentru a deschide raze. Acest fenomen este folosit pentru a crea ecrane speciale strălucitoare pentru a observa vizual radiațiile cu raze X, uneori pentru a spori efectul razelor X pe fotoplastice.
Efectul chimic al radiației cu raze X, cum ar fi formarea peroxidului de hidrogen în apă. Un exemplu practic important este impactul asupra planeității fotografice, care vă permite să remediați astfel de raze.
Efectul ionizator se manifestă într-o creștere a conductivității electrice sub influența razelor cu raze X. Această proprietate este utilizată
În dozimetrie pentru o estimare cantitativă a acestui tip de radiație.
Ca urmare a multor procese, fasciculul primar al razelor X este slăbit în conformitate cu Legea (29,3). O scriem în formă:
I \u003d i 0 e- ", (31.8)
unde μ este un coeficient de atenuare liniară. Acesta poate fi depus format din trei termeni, corespunzând împrăștierii coerente μ κ, incoerente μ ηκ și efect foto μ f:
μ \u003d μ K + μ HK + μ f. (31.9)
Intensitatea radiației cu raze X este slăbită proporțional cu numărul de atomi ai substanței prin care trece acest fir. Dacă comprimați substanța de-a lungul axei X De exemplu, în b. O dată prin creșterea b. De la densitatea sa, atunci
31.4. Bazele fizice pentru utilizarea radiațiilor cu raze X în medicină
Una dintre cele mai importante aplicații medicale ale X-Ray - transmiterea organelor interne cu un scop de diagnosticare (Diagnosticare cu raze X).
Pentru diagnosticare folosiți fotoni cu o energie de aproximativ 60-120 kev. Cu această energie, coeficientul de masă al slăbirii este determinat în principal de efectul fotoelectric. Valoarea sa este invers proporțională cu gradul al treilea de energie foton (proporțional cu λ 3), care se manifestă printr-o mare capacitate de penetrare a radiațiilor rigide și proporțional cu gradul al treilea al numărului atomic al substanței absorbante:
O diferență semnificativă în absorbția radiației cu raze X cu diferite țesuturi permite proiecția de umbră pentru a vedea imaginile organelor interne ale corpului uman.
Diagnosticarea cu raze X sunt utilizate în două versiuni: radioscopie. - imaginea este vizualizată pe ecranul X-ray-dimensional, radiografie - Imaginea este fixată pe film.
Dacă organul studiat și țesuturile din jur sunt aproximativ slăbite de radiații cu raze X, utilizează agenți speciali de contrast. De exemplu, umplerea stomacului și a intestinelor masei castanate de sulfat de bariu, puteți vedea imaginea lor de umbră.
Luminozitatea imaginii de pe ecran și timpul de expunere pe film depinde de intensitatea radiației cu raze X. Dacă este folosit pentru diagnosticare, intensitatea nu poate fi mare pentru a nu provoca consecințe biologice nedorite. Prin urmare, există o serie de dispozitive tehnice care îmbunătățesc imaginea la intensitățile mici cu raze X. Ca exemplu de un astfel de dispozitiv, puteți specifica traductoarele optice electronice (a se vedea 27.8). Cu un sondaj de masă al populației, o variație a radiografiei este utilizată pe scară largă - fluorografia, în care o imagine dintr-un ecran mare cu raze X este înregistrată pe un film de format mic sensibil. Când fotografiați, obiectivul este o luminozitate mare, instantaneele gata făcute sunt luate în considerare pe un magnific special.
O soluție interesantă și promițătoare de radiografie este metoda numită tomografie cu raze X, și "versiunea mașinii" - cT Scanare.
Luați în considerare această întrebare.
Radiografia obișnuită acoperă o mare parte a corpului, cu diferite organe și umbră de țesut reciproc. Este posibil să se evite acest lucru, dacă este periodic împreună (Fig.31.11) în antifaza se deplasează tubul cu raze X Rt. și filmul FP. Cu privire la obiect. Despre Cercetare. Corpul are o serie de incluziuni netransparente pentru raze X, ele sunt prezentate în cercuri din figură. După cum se poate observa, raze X în orice poziție a tubului cu raze X (1, 2 etc.) trece
tăierea aceluiași punct al obiectului, care este centrul relativ la care se efectuează mișcarea periodică Rt.și FP.Acest punct este mai precis, o incluziune opacă mică, este prezentată într-un cerc închis. Imaginea lui umbră se mișcă împreună cu FP,ocupând poziția consistentă 1 2 etc. Includerile rămase din organism (oase, sigilii etc.) creează FP.un fundal comun, deoarece razele X nu sunt scuturate constant de ele. Prin schimbarea poziției centrului swing, puteți obține o imagine a corpului cu raze X stratificate. Prin urmare, numele - tomografie(Postarea stratului).
Puteți utiliza un fascicul subțire de raze X, ecran (în schimb Fp)constând din detectoare semiconductoare de radiații ionizante (vezi 32,5) și computerele, tratați o imagine cu raze X Shadow în timpul tomografiei. O astfel de formă modernă de tomografie (computing sau tomografie cu raze X de calculator) permite imaginea stratului de strat a corpului pe ecranul unui tub de fază electronică sau pe hârtie cu detalii mai mici de 2 mm cu diferența în absorbție de radiații cu raze X la 0,1%. Acest lucru permite, de exemplu, să distingă între substanța gri și cea albă a creierului și să vadă o educație tumorală foarte mică.
