Röntgenikiirguse põhiomaduste uurimise avastus ja eelised kuuluvad õigustatult saksa teadlasele Wilhelm Conrad Roentgenile. Tema avastatud röntgenikiirte hämmastavad omadused said kohe teadusmaailmas tohutu resonantsi. Kuigi toona, 1895. aastal, suutis teadlane vaevalt ette kujutada, millist kasu ja mõnikord ka kahju võib röntgenkiirgus tuua.

Sellest artiklist uurime, kuidas seda tüüpi kiirgus inimeste tervist mõjutab.

Mis on röntgenikiirgus

Esimene küsimus, mis teadlast huvitas, oli, mis on röntgenikiirgus? Katsete seeria võimaldas veenduda, et tegemist on 10–8 cm lainepikkusega elektromagnetkiirgusega, mis asub ultraviolett- ja gammakiirguse vahel.

Röntgenikiirguse rakendused

Kõik need salapäraste röntgenikiirte hävitava mõju aspektid ei välista nende rakendamise üllatavalt ulatuslikke aspekte. Kus kasutatakse röntgenikiirgust?

1. Molekulide ja kristallide struktuuri uurimine.
2. Röntgenvigade tuvastamine (tööstuses, toodete defektide tuvastamine).
3. meetodid meditsiinilised uuringud ja teraapia.

Röntgenikiirguse kõige olulisemad rakendused on võimalikud tänu nende lainete väga lühikesele lainepikkusele ja nende ainulaadsetele omadustele.

Kuna meid huvitab röntgenkiirguse mõju inimestele, kes puutuvad sellega kokku ainult arstliku läbivaatuse või ravi ajal, siis käsitleme edaspidi ainult seda röntgenikiirguse rakendusvaldkonda.

Röntgenikiirguse rakendamine meditsiinis

Vaatamata oma avastuse erilisele tähtsusele, ei võtnud Roentgen selle kasutamiseks patenti, muutes selle hindamatuks kingituseks kogu inimkonnale. Juba Esimeses maailmasõjas hakati kasutama röntgenaparaate, mis võimaldasid haavatuid kiiresti ja täpselt diagnoosida. Nüüd saame eristada kahte peamist röntgenikiirguse rakendusvaldkonda meditsiinis:

• röntgendiagnostika;
• Röntgenteraapia.

Röntgendiagnostika

Röntgendiagnostikat kasutatakse mitmel viisil:

Vaatame nende meetodite erinevusi.

Kõik need diagnostikameetodid põhinevad röntgenikiirte võimel valgustada fotofilmi ning nende erineval läbilaskvusel kudedele ja luuskeletile.

Röntgenteraapia

Röntgenikiirguse võimet avaldada kudedele bioloogilist mõju kasutatakse meditsiinis kasvajate raviks. Selle kiirguse ioniseeriv toime avaldub kõige aktiivsemalt selle toimes kiiresti jagunevatele rakkudele, mis on pahaloomuliste kasvajate rakud.

Siiski peaksite teadma ka kõrvalmõjud, mis paratamatult kaasneb kiiritusraviga. Fakt on see, et hematopoeetilised, endokriinsed, immuunsüsteemid. Negatiivne mõju neile põhjustab kiiritushaiguse tunnuseid.

Röntgenikiirguse mõju inimesele

Varsti pärast tähelepanuväärset röntgenikiirte avastamist avastati, et röntgenkiirtel on inimestele mõju.

Need andmed saadi katseloomadega tehtud katsetest, kuid geneetikud viitavad sellele, et sarnased tagajärjed võivad laieneda ka inimkehale.

Röntgenkiirguse mõjude uurimine võimaldas välja töötada rahvusvahelised standardid lubatud annused kiiritamine.

Röntgenikiirguse doosid röntgendiagnostika ajal

Paljud patsiendid tunnevad pärast röntgenikabinetti külastamist muret, kuidas saadud kiiritusdoos nende tervist mõjutab?

Kogu keha kiirituse doos sõltub teostatava protseduuri iseloomust. Mugavuse huvides võrdleme saadud doosi loodusliku kiirgusega, mis saadab inimest kogu tema elu.

1. Röntgenikiirgus: rind- saadud kiirgusdoos võrdub 10 päeva taustkiirgusega; ülemine kõht ja peensool - 3 aastat.
2. Elundite kompuutertomograafia kõhuõõnde ja vaagen, samuti kogu keha - 3 aastat.
3. Mammograafia - 3 kuud.
4. Jäsemete röntgenikiirgus on praktiliselt kahjutu.
5. Hammaste röntgenikiirguse puhul on kiirgusdoos minimaalne, kuna patsient puutub kokku kitsa kiirituskiirgusega lühikese kiirgusega.

Need kiirgusdoosid vastavad vastuvõetavatele standarditele, kuid kui patsient tunneb enne röntgenisse minekut ärevust, on tal õigus nõuda spetsiaalset kaitsepõlle.

Röntgenikiirgus rasedatel naistel

Iga inimene on sunnitud läbima röntgenuuringuid rohkem kui üks kord. Kuid on reegel - seda diagnostilist meetodit ei saa rasedatele naistele määrata. Arenev embrüo on äärmiselt haavatav. Röntgenikiirgus võib põhjustada kromosoomianomaaliaid ja selle tulemusena arenguhäiretega laste sündi. Sellega seoses on kõige haavatavam periood rasedus kuni 16 nädalat. Veelgi enam, lülisamba, vaagna ja kõhupiirkonna röntgenikiirgus on sündimata lapsele kõige ohtlikum.

Teades röntgenikiirguse kahjulikku mõju rasedusele, väldivad arstid igal võimalikul viisil selle kasutamist sellel olulisel perioodil naise elus.

Siiski on röntgenkiirguse kõrvalallikaid:

• elektronmikroskoobid;
• värvitelerite pilditorud jne.

Lapseootel emad peaksid olema teadlikud nendest tulenevast ohust.

Röntgendiagnostika ei ole imetavatele emadele ohtlik.

Mida teha pärast röntgenuuringut

Röntgenkiirgusega kokkupuute isegi minimaalsete mõjude vältimiseks võite järgida mõnda lihtsat sammu:

• pärast röntgenikiirgust jooge klaas piima - see eemaldab väikesed kiirgusdoosid;
• Väga kasulik on võtta klaas kuiva veini või viinamarjamahla;
• Mõnda aega pärast protseduuri on kasulik suurendada kõrge joodisisaldusega toiduainete (mereannid) osakaalu.

Kuid mitte tervendavad protseduurid või pärast röntgenikiirgust kiirguse eemaldamiseks ei ole vaja erimeetmeid!

Vaatamata röntgenikiirgusega kokkupuute kahtlemata tõsistele tagajärgedele, ei tohiks nende ohtu arstliku läbivaatuse ajal üle hinnata - need viiakse läbi ainult teatud kehapiirkondades ja väga kiiresti. Nendest saadav kasu ületab mitu korda selle protseduuri riski inimkehale.

Röntgenikiirgus on nähtamatu kiirgus, mis võib läbida kõike, kuigi erineval määral. See on elektromagnetkiirgus, mille lainepikkus on umbes 10-8 cm.

Sarnaselt nähtavale valgusele muudab röntgenikiirgus fotofilmi mustaks. Sellel kinnistul on oluline meditsiinile, tööstusele ja teaduslikud uuringud. Uuritavat objekti läbides ja seejärel fotofilmile langedes kujutab röntgenkiirgus sellel oma sisemist struktuuri. Kuna röntgenikiirguse läbitungimisvõime on erinev erinevad materjalid, tekitavad objekti osad, mis on sellele vähem läbipaistvad, fotol heledamad alad kui need, millest kiirgus hästi läbi tungib. Niisiis, luukoe röntgenikiirgusele vähem läbipaistev kui naha ja siseorganite kuded. Seetõttu paistavad luud röntgenipildil heledamate aladena ja kiirgusele läbipaistvam murdekoht on üsna hõlpsasti tuvastatav. Röntgenikiirgust kasutatakse ka hambaravis hambajuurte kaariese ja abstsesside avastamiseks ning tööstuses valandite, plastide ja kummide pragude tuvastamiseks.

Röntgenikiirgust kasutatakse keemias ühendite analüüsimiseks ja füüsikas kristallide struktuuri uurimiseks. Keemilist ühendit läbiv röntgenkiir tekitab iseloomuliku sekundaarse kiirguse, mille spektroskoopiline analüüs võimaldab keemikul määrata ühendi koostist. Kui röntgenkiir langeb kristallilisele ainele, hajutatakse see kristalli aatomite poolt, andes fotoplaadil selge ja korrapärase pildi täppidest ja triipudest, mis võimaldab kindlaks teha kristalli sisestruktuuri. .

Röntgenikiirguse kasutamine vähiravis põhineb sellel, et see tapab vähirakke. Siiski võib see avaldada soovimatut mõju normaalsetele rakkudele. Seetõttu tuleb sellisel viisil röntgenikiirguse kasutamisel olla äärmise ettevaatusega.

Röntgenikiirguse vastuvõtmine

Röntgenkiirgus tekib siis, kui suurel kiirusel liikuvad elektronid suhtlevad ainega. Kui elektronid põrkuvad mis tahes aine aatomitega, kaotavad nad kiiresti oma kineetilise energia. Sel juhul muutub suurem osa sellest soojuseks ja väike osa, tavaliselt alla 1%, muundatakse röntgenienergiaks. See energia vabaneb kvantidena – footoniteks kutsutavate osakestena, millel on energiat, kuid mille puhkemass on null. Röntgenfootonid erinevad oma energia poolest, mis on pöördvõrdeline nende lainepikkusega. Tavaline röntgenkiirguse valmistamise meetod tekitab laia lainepikkuste vahemikku, mida nimetatakse röntgenikiirguse spektriks.

Röntgentorud. Röntgenikiirguse tekitamiseks elektronide ja aine interaktsiooni kaudu peab teil olema elektronide allikas, vahend nende kiirendamiseks suurele kiirusele ja sihtmärk, mis talub elektronide pommitamist ja tekitab vajaliku intensiivsusega röntgenikiirgust. Seda kõike sisaldavat seadet nimetatakse röntgentoruks. Varased teadlased kasutasid "sügavalt evakueeritud" torusid, näiteks kaasaegseid gaaslahendustorusid. Vaakum neis ei olnud väga suur.

Tühjendustorud sisaldavad väikeses koguses gaasi ja kui toru elektroodidele rakendatakse suurt potentsiaalide erinevust, muudetakse gaasiaatomid positiivseteks ja negatiivseteks ioonideks. Positiivsed liiguvad negatiivse elektroodi (katoodi) poole ja sellele kukkudes löövad sealt elektronid välja ning need omakorda liiguvad positiivse elektroodi (anoodi) poole ning tekitavad seda pommitades röntgenfootonite voo. .

Kaasaegses Coolidge'i välja töötatud röntgentorus (joonis 11) on elektronide allikaks volframkatood, mis on kuumutatud kõrge temperatuur.

Riis. üksteist.

Elektronid kiirendatakse suure kiiruseni anoodi (või anti-katoodi) ja katoodi vahelise suure potentsiaalide erinevuse tõttu. Kuna elektronid peavad jõudma anoodile ilma aatomitega kokku põrkamata, on vajalik väga suur vaakum, mis eeldab toru korralikku evakueerimist. See vähendab ka ülejäänud gaasiaatomite ioniseerumise tõenäosust ja sellest tulenevaid külgvoolusid.

Elektronidega pommitades kiirgab volframantikatood iseloomulikku röntgenikiirgust. Röntgenkiire ristlõige on väiksem kui tegelik kiiritatud ala. 1 - elektronkiir; 2 - katood fokusseeriva elektroodiga; 3 - klaaskest (toru); 4 - volframi sihtmärk (anti-katood); 5 - katoodniit; 6 - tegelik kiiritatud ala; 7 - efektiivne fookuspunkt; 8 - vase anood; 9 - aken; 10 - hajutatud röntgenkiirgus.

Elektronid fokusseeritakse anoodile katoodi ümbritseva spetsiaalse kujuga elektroodi abil. Seda elektroodi nimetatakse teravustamiselektroodiks ja see moodustab koos katoodiga toru "elektroonilise prožektori". Elektronidega pommitav anood peab olema valmistatud tulekindlast materjalist, kuna suurem osa pommitavate elektronide kineetilisest energiast muundatakse soojuseks. Lisaks on soovitav, et anood oleks valmistatud suure aatomarvuga materjalist, sest Röntgenikiirgus suureneb koos aatomarvu suurenemisega. Kõige sagedamini valitakse anoodimaterjaliks volfram, mille aatomnumber on 74. Röntgentorude konstruktsioon võib olenevalt kasutustingimustest ja nõuetest erineda.

SRÜ FÖDERAALNE HARIDUSAGENTUUR

RIIKLIK HARIDUSASUTUS

KÕRGHARIDUS

MOSKVA RIIKLIK TERASE JA SULAMITE INSTITUUT

(TEHNOLOOGIAÜLIKOOL)

NOVOTROITSKI HARU

OED osakond

KURSUSETÖÖ

Distsipliin: füüsika

Teema: Röntgen

Õpilane: Nedorezova N.A.

Rühm: EiU-2004-25, nr Z.K.: 04N036

Kontrollis: Ozhegova S.M.

Sissejuhatus

1. peatükk. Röntgenikiirguse avastamine

1.1 Roentgen Wilhelm Conradi elulugu

1.2 Röntgenikiirguse avastamine

Peatükk 2. Röntgenkiirgus

2.1 Röntgenikiirguse allikad

2.2 Röntgenikiirguse omadused

2.3 Röntgenikiirguse tuvastamine

2.4 Röntgenikiirguse kasutamine

Peatükk 3. Röntgenikiirguse rakendamine metallurgias

3.1 Kristallstruktuuri puuduste analüüs

3.2 Spektraalanalüüs

Järeldus

Kasutatud allikate loetelu

Rakendused

Sissejuhatus

See oli haruldane inimene, kes ei käinud röntgenikabinetist läbi. Röntgenpildid on kõigile tuttavad. 1995. aastal tähistati selle avastuse sajandat aastapäeva. Raske on ette kujutada, kui suurt huvi see sajand tagasi äratas. Mehe käes oli seadeldis, mille abil oli võimalik näha nähtamatut.

Seda nähtamatut kiirgust, mis on võimeline, kuigi erineval määral, tungima kõikidesse ainetesse, esindades elektromagnetilist kiirgust lainepikkusega umbes 10–8 cm, nimetati selle avastanud Wilhelm Roentgeni auks röntgenkiirguseks.

Sarnaselt nähtavale valgusele muudab röntgenikiirgus fotofilmi mustaks. See omadus on oluline meditsiini, tööstuse ja teadusuuringute jaoks. Uuritavat objekti läbides ja seejärel fotofilmile langedes kujutab röntgenkiirgus sellel oma sisemist struktuuri. Kuna röntgenikiirguse läbitungimisvõime on erinevate materjalide puhul erinev, tekitavad objekti osad, mis on sellele vähem läbipaistvad, fotol heledamad alad kui need, millest kiirgus hästi läbi tungib. Seega on luukude röntgenikiirgusele vähem läbipaistev kui kude, millest koosneb nahk ja siseorganid. Seetõttu paistavad luud röntgenipildil heledamate aladena ja kiirgusele vähem läbipaistva murdekoha saab üsna lihtsalt tuvastada. Röntgenikiirgust kasutatakse ka hambaravis hambajuurte kaariese ja abstsesside avastamiseks, samuti tööstuses valandite, plastide ja kummide pragude avastamiseks, keemias ühendite analüüsimiseks ja füüsikas kristallide struktuuri uurimiseks.

Röntgeni avastusele järgnesid teiste teadlaste katsed, kes avastasid selle kiirguse palju uusi omadusi ja rakendusi. Suure panuse andsid M. Laue, W. Friedrich ja P. Knipping, kes demonstreerisid 1912. aastal kristalli läbivate röntgenikiirte difraktsiooni; W. Coolidge, kes 1913. aastal leiutas kuumutatud katoodiga kõrgvaakumröntgentoru; G. Moseley, kes tegi 1913. aastal kindlaks seose kiirguse lainepikkuse ja elemendi aatomnumbri vahel; G. ja L. Bragg, kes said 1915. a Nobeli preemia röntgendifraktsioonanalüüsi põhialuste väljatöötamiseks.

Selle kursusetöö eesmärk on uurida röntgenkiirguse fenomeni, avastamise ajalugu, omadusi ja teha kindlaks selle rakendusala.

1. peatükk. Röntgenikiirguse avastamine

1.1 Roentgen Wilhelm Conradi elulugu

Wilhelm Conrad Roentgen sündis 17. märtsil 1845 Saksamaal Hollandiga piirnevas piirkonnas Lenepe linnas. Tehnilise hariduse omandas ta Zürichis samas Kõrgemas Tehnikakoolis (Polütehnikumis), kus Einstein hiljem õppis. Tema kirg füüsika vastu sundis teda pärast kooli lõpetamist 1866. aastal jätkama füüsikaharidust.

Olles 1868. aastal kaitsnud väitekirja filosoofiadoktori kraadi saamiseks, töötas ta assistendina füüsikaosakonnas algul Zürichis, seejärel Giessenis ja seejärel Strasbourgis (1874-1879) Kundti käe all. Siin läbis Roentgen hea eksperimentaalkooli ja temast sai esmaklassiline eksperimenteerija. Röntgen viis oma olulise uurimistöö läbi koos oma õpilasega, ühe nõukogude füüsika rajaja A.F. Ioff.

Teaduslikud uuringud on seotud elektromagnetismi, kristallfüüsika, optika ja molekulaarfüüsikaga.

1895. aastal avastas ta ultraviolettkiirtest (röntgenikiirtest) lühema lainepikkusega kiirguse, mida hiljem nimetati röntgenkiirteks, ning uuris nende omadusi: võimet peegelduda, neelduda, õhku ioniseerida jne. Ta pakkus välja röntgenikiirte tootmiseks mõeldud toru õige konstruktsiooni – kaldus plaatina antikatoodi ja nõgusa katoodi: ta oli esimene, kes pildistas röntgenikiirgust kasutades. Ta avastas 1885. aastal elektriväljas liikuva dielektriku magnetvälja (nn “röntgenivool”).Kogemus näitas selgelt, et magnetväli tekib liikuvate laengute tõttu ja see oli oluline dielektriku loomisel. X. Lorentzi elektroonikateooria. Märkimisväärne hulk Röntgeni töid on pühendatud vedelike, gaaside, kristallide, elektromagnetiliste nähtuste omaduste uurimisele, avastatakse elektriliste ja optiliste nähtuste seos kristallides. Tema nime kandvate kiirte avastamiseks , Roentgen oli esimene füüsikute seas, kellele pälvis 1901. aastal Nobeli preemia.

Aastast 1900 kuni oma elu viimaste päevadeni (suri 10. veebruaril 1923) töötas ta Müncheni ülikoolis.

1.2 Röntgenikiirguse avastamine

19. sajandi lõpp iseloomustas suurenenud huvi elektri gaaside kaudu liikumise nähtuste vastu. Faraday uuris ka neid nähtusi tõsiselt, kirjeldas erinevaid tühjenemise vorme ja avastas helendavas gaasisambas tumeda ruumi. Faraday tume ruum eraldab sinaka katoodhõõgu roosakast anoodilisest helgust.

Gaasi harvendamise edasine suurenemine muudab märkimisväärselt hõõgumise olemust. Matemaatik Plücker (1801-1868) avastas 1859. aastal piisavalt tugeva vaakumi juures katoodist lähtuva nõrgalt sinaka kiirtekiire, mis jõudis anoodini ja paneb toru klaasi hõõguma. Plückeri õpilane Hittorf (1824-1914) jätkas 1869. aastal oma õpetaja uurimistööd ja näitas, et kui katoodi ja selle pinna vahele asetada tahke keha, tekib toru fluorestseeruvale pinnale selge vari.

Goldstein (1850-1931), uurides kiirte omadusi, nimetas neid katoodkiirteks (1876). Kolm aastat hiljem tõestas William Crookes (1832-1919) katoodkiirte materiaalset olemust ja nimetas neid "kiirgusaineks", erilises neljandas olekus olevaks aineks. Tema tõendid olid veenvad ja visuaalsed. "Crookesi toruga" tehti katseid hiljem. demonstreeritud kõigis füüsikaklassides . Katoodkiire läbipaine magnetvälja mõjul Crookesi torus sai klassikaliseks koolidemonstratsiooniks.

Katoodkiirte elektrilise läbipainde katsed ei olnud aga nii veenvad. Hertz sellist kõrvalekallet ei tuvastanud ja jõudis järeldusele, et katoodkiir on eetris võnkuv protsess. Katoodkiirtega katsetades näitas Hertzi õpilane F. Lenard 1893. aastal, et need läbivad alumiiniumfooliumiga kaetud akna ja tekitavad aknataguses ruumis kuma. Hertz pühendas oma viimase 1892. aastal avaldatud artikli katoodkiirte läbimise nähtusele läbi õhukeste metallkehade. See algas sõnadega:

"Katoodkiired erinevad valgusest märkimisväärselt oma võime poolest tahketest kehadest läbi tungida." Kirjeldades katsete tulemusi katoodkiirte läbimise kohta läbi kulla, hõbeda, plaatina, alumiiniumi jne lehtede, märgib Hertz, et ta tegi seda. ei tähelda nähtustes mingeid erilisi erinevusi Kiired ei läbi lehti sirgjooneliselt, vaid hajuvad difraktsiooni teel.Katoodkiirte olemus oli veel ebaselge.

Just nende Crookesi, Lenardi ja teiste torudega katsetas Würzburgi professor Wilhelm Conrad Roentgen 1895. aasta lõpus. Ükskord, katse lõpus, katnud toru musta papist kaanega, lülitas valguse välja, kuid mitte. kuid lülitades välja toru toiteallika induktiivpooli, märkas ta toru lähedal asuva baariumsünoksiidi ekraani sära. Sellest asjaolust rabatuna hakkas Roentgen ekraaniga katsetama. Oma esimeses 28. detsembri 1895. aasta aruandes "On a New Kind of Rays" kirjutas ta nende esimeste katsete kohta: "Paberitükk, mis oli kaetud baariumplaatina vääveldioksiidiga, kui see lähenes torule, mis oli kaetud kaanega, õhuke must papp, mis sobib selle külge üsna tihedalt, iga tühjenemisega vilgub see ereda valgusega: see hakkab fluorestseerima. Fluorestsents on nähtav, kui see on piisavalt tumenenud ja see ei sõltu sellest, kas paberi külg on kaetud baariumsinise oksiidiga või mitte. Fluorestsents on märgatav isegi kahe meetri kaugusel torust.

Hoolikas uurimine näitas Roentgenile, et "musta pappi, mis ei ole läbipaistev ei päikese nähtavale ja ultraviolettkiirgusele ega elektrikaare kiirtele, tungib läbi mõni fluorestsentsi põhjustav aine." Roentgen uuris selle "aine, ", mida ta nimetas erinevate ainete jaoks lühikesteks "röntgenikiirgusteks". Ta avastas, et kiired läbivad vabalt paberit, puitu, kõvakummi, õhukesi metallikihte, kuid plii mõjub tugevalt edasi.

Seejärel kirjeldab ta sensatsioonilist kogemust:

"Kui hoiate oma kätt väljalasketoru ja ekraani vahel, näete luude tumedaid varje käe enda varju nõrkades piirjoontes." See oli esimene inimkeha fluoroskoopiline uuring. Röntgen sai ka esimesi röntgenipilte, kandes need oma käele.

Need pildid jätsid tohutu mulje; avastus polnud veel lõppenud ja röntgendiagnostika oli juba oma teekonda alustanud. "Minu labor oli üle ujutatud arstidega, kes tõid patsiente, kes kahtlustasid, et neil on nõelad erinevad osad kehad,” kirjutas inglise füüsik Schuster.

Juba pärast esimesi katseid tegi Roentgen kindlalt kindlaks, et röntgenkiired erinevad katoodkiirtest, nad ei kanna laengut ega kaldu magnetvälja poolt kõrvale, vaid neid ergastab katoodkiired." Röntgenikiirgus ei ole katoodkiirtega identne. , kuid on neist erutatud väljalasketoru klaasseintes, ”kirjutas Roentgen.

Ta tuvastas ka, et nad ei eruta mitte ainult klaasist, vaid ka metallidest.

Olles maininud Hertz-Lennardi hüpoteesi, et katoodkiired "on eetris esinev nähtus", märgib Roentgen, et "me võime öelda midagi sarnast oma kiirte kohta". Kuid ta ei suutnud avastada kiirte lainelisi omadusi, nad "käituvad teisiti kui seni tuntud ultraviolett-, nähtavad ja infrapunakiired." Oma keemiliselt ja luminestsentstegevuselt sarnanevad nad Roentgeni sõnul ultraviolettkiirtega. oma esimeses sõnumis väitis ta hiljem jäetud oletuse, et need võivad olla eetris olevad pikilained.

Röntgeni avastus äratas teadusmaailmas suurt huvi. Tema katseid korrati peaaegu kõigis maailma laborites. Moskvas kordas neid P.N. Lebedev. Peterburis raadioleiutaja A.S. Popov katsetas röntgenikiirgust, demonstreeris neid avalikel loengutel ja sai erinevaid röntgenipilte. Cambridge'is D.D. Thomson kasutas kohe röntgenkiirte ioniseerivat mõju, et uurida elektri läbipääsu gaasidest. Tema uurimistöö viis elektroni avastamiseni.

Peatükk 2. Röntgenkiirgus

Röntgenkiirgus on elektromagnetiline ioniseeriv kiirgus, mis hõivab gamma- ja ultraviolettkiirguse vahelise spektripiirkonna lainepikkustel 10 -4 kuni 10 3 (10 -12 kuni 10 -5 cm).R. l. lainepikkusega λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - pehme.

2.1 Röntgenikiirguse allikad

Kõige tavalisem röntgenikiirguse allikas on röntgenitoru. - elektriline vaakumseade , mis toimib röntgenikiirguse allikana. Selline kiirgus tekib siis, kui katoodi poolt emiteeritud elektronid aeglustuvad ja tabavad anoodi (anti-katood); sel juhul muundub anoodi ja katoodi vahelises ruumis tugeva elektrivälja toimel kiirendatud elektronide energia osaliselt röntgenienergiaks. Röntgentoru kiirgus on bremsstrahlungi röntgenikiirguse superpositsioon anoodaine iseloomulikule kiirgusele. Röntgentorusid eristatakse: elektronide voolu saamise meetodi järgi - termilise (kuumutatud) katoodiga, väljaemissiooni (tipp) katoodiga, positiivsete ioonidega pommitatud katoodiga ja elektronide radioaktiivse (β) allikaga; vaakummeetodi järgi - suletud, lahtivõetav; kiirgusaja järgi - pidev, impulss; anoodjahutuse tüübi järgi - vee, õli, õhu, kiirgusjahutusega; fookuse suuruse järgi (kiirgusala anoodil) - makrofookus, terav fookus ja mikrofookus; selle kuju järgi - rõngas, ümmargune, jooneline kuju; vastavalt elektronide anoodile fokuseerimise meetodile - elektrostaatilise, magnetilise, elektromagnetilise fokuseerimisega.

Röntgenikiirte struktuurianalüüsis kasutatakse röntgentorusid (lisa 1), röntgenspektraalanalüüs, vigade tuvastamine (Lisa 1), Röntgendiagnostika (Lisa 1), Röntgenravi , Röntgenmikroskoopia ja mikroradiograafia. Kõikides valdkondades kasutatakse kõige laialdasemalt suletud röntgentorusid, millel on termokatoodi, vesijahutusega anoodi ja elektrostaatilise elektronide fokuseerimise süsteem (lisa 2). Röntgentorude termokatoodiks on tavaliselt spiraalne või sirge volframtraadi hõõgniit, mida kuumutatakse elektrivooluga. Anoodi tööosa - metallist peegelpind - asub elektronide voolu suhtes risti või teatud nurga all. Kõrge energia ja kõrge intensiivsusega röntgenkiirguse pideva spektri saamiseks kasutatakse Au ja W valmistatud anoode; struktuurianalüüsis kasutatakse Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag anoodidega röntgentorusid.

Röntgentorude põhiomadused on maksimaalne lubatud kiirenduspinge (1-500 kV), elektronide vool (0,01 mA - 1A), anoodi poolt hajutatud erivõimsus (10-10 4 W/mm 2), koguvõimsustarve. (0,002 W – 60 kW) ja fookuse suurused (1 µm – 10 mm). Röntgentoru efektiivsus on 0,1-3%.

Mõned radioaktiivsed isotoobid võivad olla ka röntgenikiirguse allikad. : mõned neist kiirgavad otse röntgenikiirgust, teiste tuumakiirgus (elektronid või λ-osakesed) pommitab metallist sihtmärki, mis kiirgab röntgenikiirgust. Isotoopallikatest lähtuva röntgenikiirguse intensiivsus on mitu suurusjärku väiksem kui röntgentoru kiirguse intensiivsus, kuid isotoopallikate mõõtmed, kaal ja maksumus on võrreldamatult väiksemad kui röntgentoruga paigaldistel.

Mitme GeV energiaga sünkrotronid ja elektronide salvestamise rõngad võivad olla pehmete röntgenikiirte allikad, mille λ suurus on kümneid ja sadu. Sünkrotronidest lähtuva röntgenkiirguse intensiivsus ületab selles spektri piirkonnas 2-3 suurusjärgu võrra röntgenitoru oma.

Looduslikud röntgenikiirguse allikad on Päike ja muud kosmoseobjektid.

2.2 Röntgenikiirguse omadused

Sõltuvalt röntgenikiirguse tekitamise mehhanismist võivad nende spektrid olla pidevad (bremsstrahlung) või joon (karakteristikud). Kiiresti laetud osakesed kiirgavad pidevat röntgenikiirguse spektrit nende aeglustumise tulemusena, kui nad suhtlevad sihtaatomitega; see spekter saavutab märkimisväärse intensiivsuse ainult siis, kui sihtmärki pommitatakse elektronidega. Bremsstrahlung-röntgenikiirguse intensiivsus jaotub kõikidele sagedustele kuni kõrgsageduspiirini 0, mille juures footoni energia h 0 (h on Plancki konstant ) on võrdne pommitavate elektronide energiaga eV (e on elektroni laeng, V on nendest läbitava kiirendusvälja potentsiaalide erinevus). See sagedus vastab spektri lühilainepiirile 0 = hc/eV (c on valguse kiirus).

Joonkiirgus tekib pärast aatomi ioniseerimist elektronide väljutamisega ühest selle sisekestest. Selline ionisatsioon võib tuleneda aatomi kokkupõrkest kiirete osakestega nagu elektron (primaarne röntgenikiirgus) või footoni neeldumine aatomi poolt (fluorestseeruv röntgenikiirgus). Ioniseeritud aatom satub algkvantolekusse ühel kõrge energiatasemega ja 10 -16 -10 -15 sekundi pärast läheb ta madalama energiaga lõppolekusse. Sel juhul võib aatom eraldada liigset energiat teatud sagedusega footoni kujul. Sellise kiirguse spektris olevate joonte sagedused on iseloomulikud iga elemendi aatomitele, seetõttu nimetatakse joonröntgeni spektrit iseloomulikuks. Selle spektri joonte sageduse sõltuvus aatomarvust Z määratakse Moseley seadusega.

Moseley seadus, seadus, mis seob keemilise elemendi iseloomuliku röntgenikiirguse spektrijoonte sageduse selle aatomnumbriga. Eksperimentaalselt kehtestas G. Moseley aastal 1913. Moseley seaduse järgi on elemendi iseloomuliku kiirguse spektrijoone sageduse  ruutjuur lineaarfunktsioon selle järjekorranumbrist Z:

kus R on Rydbergi konstant , S n - sõelumiskonstant, n - peamine kvantarv. Moseley diagrammil (lisa 3) on sõltuvus Z-st sirgjoonte jada (K-, L-, M- jne seeriad, mis vastavad väärtustele n = 1, 2, 3,.).

Moseley seadus oli ümberlükkamatu tõestus elementide õigest paigutusest elementide perioodilises tabelis DI. Mendelejev ja aitas kaasa Z füüsilise tähenduse selgitamisele.

Vastavalt Moseley seadusele ei näita röntgenikiirguse iseloomulikud spektrid optilistele spektritele omaseid perioodilisi mustreid. See näitab, et kõigi elementide aatomite sisemised elektronkestad, mis esinevad iseloomulikes röntgenispektrites, on sarnase struktuuriga.

Hilisemad katsed näitasid mõningaid kõrvalekaldeid lineaarsest suhtest elementide üleminekurühmade puhul, mis on seotud väliste elektronkihtide täitmise järjekorra muutumisega, aga ka raskete aatomite puhul, mis tulenevad relativistlikest efektidest (tinglikult seletatav asjaoluga, et sisemised on võrreldavad valguse kiirusega).

Olenevalt mitmetest teguritest – tuumas olevate nukleonide arvust (isotooniline nihe), väliste elektronkihtide olekust (keemiline nihe) jne – võib spektrijoonte asukoht Moseley diagrammil veidi muutuda. Nende nihete uurimine võimaldab meil saada üksikasjalikku teavet aatomi kohta.

Väga õhukeste sihtmärkide poolt kiiratavad Bremsstrahlung-röntgenikiirgus on nulli lähedal täielikult polariseeritud; Kui 0 väheneb, väheneb polarisatsiooniaste. Iseloomulik kiirgus ei ole reeglina polariseeritud.

Kui röntgenkiired interakteeruvad ainega, võib tekkida fotoelektriline efekt. , sellega kaasnev röntgenkiirte neeldumine ja nende hajumine, fotoelektrilist efekti täheldatakse juhul, kui aatom, neelates röntgenikiirguse footoni, väljutab ühe oma siseelektroni, misjärel võib see kas teha kiirgusülemineku, kiirgades iseloomuliku kiirguse footon või kiirgab välja teise elektroni mittekiirguslikul üleminekul (Auger elektron). Röntgenikiirguse mõjul mittemetallilistele kristallidele (näiteks kivisoolale) ilmuvad aatomvõre mõnes kohas täiendava positiivse laenguga ioonid ja nende lähedale ilmuvad liigsed elektronid. Selliseid häireid kristallide struktuuris nimetatakse röntgenikiirguse eksitoniteks , on värvikeskused ja kaovad ainult temperatuuri olulise tõusuga.

Kui röntgenikiirgus läbib ainekihi paksusega x, väheneb nende esialgne intensiivsus I 0 väärtuseni I = I 0 e - μ x kus μ on sumbumiskoefitsient. I nõrgenemine toimub kahe protsessi tõttu: röntgenfootonite neeldumine aine poolt ja nende suuna muutumine hajumise käigus. Spektri pikalainelises piirkonnas on ülekaalus röntgenkiirte neeldumine, lühilaine piirkonnas nende hajumine. Neeldumisaste suureneb Z ja λ suurenedes kiiresti. Näiteks kõva röntgenikiirgus tungib vabalt läbi õhukihi ~ 10 cm; 3 cm paksune alumiiniumplaat nõrgendab röntgenikiirgust λ = 0,027 poole võrra; pehmed röntgenikiirgused neelduvad oluliselt õhus ja nende kasutamine ja uurimine on võimalik ainult vaakumis või nõrgalt neelduvas gaasis (näiteks He). Röntgenikiirguse neeldumisel aine aatomid ioniseeruvad.

Röntgenikiirguse mõju elusorganismidele võib olla kasulik või kahjulik, olenevalt ionisatsioonist, mida need kudedes põhjustavad. Kuna röntgenikiirguse neeldumine sõltub λ-st, ei saa nende intensiivsus olla röntgenikiirte bioloogilise mõju mõõt. Röntgenikiirguse mõõtmist kasutatakse kvantitatiivseks mõõtmiseks röntgenkiirguse mõju ainele. , selle mõõtühik on röntgenikiirgus

Röntgenkiirte hajumine suure Z ja λ piirkonnas toimub peamiselt λ-d muutmata ja seda nimetatakse koherentseks hajumiseks ning väikeste Z ja λ piirkonnas reeglina suureneb (ebaühtlane hajumine). Röntgenikiirguse ebajärjekindlat hajumist on teada 2 tüüpi – Comptoni ja Ramani. Comptoni hajumises, millel on mitteelastne korpuskulaarne hajumine, lendab röntgenfootoni poolt osaliselt kaotatud energia tõttu tagasilöögielektron aatomi kestast välja. Sel juhul footoni energia väheneb ja selle suund muutub; λ muutus sõltub hajumise nurgast. Valgusaatomil suure energiaga röntgenfootoni Ramani hajumisel kulub väike osa selle energiast aatomi ioniseerimisele ja footoni liikumissuund muutub. Selliste footonite muutus ei sõltu hajumise nurgast.

Röntgenikiirguse murdumisnäitaja n erineb 1-st väga väikese koguse võrra δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Röntgenikiirguse faasikiirus keskkonnas on suurem kui valguse kiirus vaakumis. Röntgenikiirguse kõrvalekalle ühest keskkonnast teise üleminekul on väga väike (mõned kaareminutid). Kui röntgenikiirgus langeb vaakumist väga väikese nurga all keha pinnale, peegeldub see täielikult väljastpoolt.

2.3 Röntgenikiirguse tuvastamine

Inimese silm ei ole röntgenikiirguse suhtes tundlik. röntgen

Kiired salvestatakse spetsiaalse röntgenfotofilmi abil, mis sisaldab suurenenud kogust Ag ja Br. Piirkonnas λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, tavalise positiivse fotofilmi tundlikkus on üsna kõrge ja selle terad on palju väiksemad kui röntgenfilmi terad, mis suurendab eraldusvõimet. λ suurusjärgus kümneid ja sadu toimib röntgenikiirgus ainult fotoemulsiooni kõige õhemale pinnakihile; Kile tundlikkuse suurendamiseks sensibiliseeritakse see luminestsentsõlidega. Röntgendiagnostikas ja vigade tuvastamisel kasutatakse mõnikord röntgenikiirte salvestamiseks elektrofotograafiat. (elektroradiograafia).

Suure intensiivsusega röntgenikiirgust saab salvestada ionisatsioonikambri abil (4. lisa), keskmise ja madala intensiivsusega röntgenikiirgus λ juures< 3 - сцинтилляционным счётчиком NaI (Tl) kristalliga (5. lisa), 0,5 juures< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (6. lisa) ja pitseeritud proportsionaalse loenduri (Lisa 7), 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Lisa 8). Väga suure λ piirkonnas (kümnetest kuni 1000-ni) saab röntgenikiirguse registreerimiseks kasutada avatud tüüpi sekundaarseid elektronkordistiid, mille sisendis on erinevad fotokatoodid.

2.4 Röntgenikiirguse kasutamine

Enamik lai rakendus Röntgenikiirgust leiti meditsiinis röntgendiagnostika jaoks ja kiiritusravi . Röntgenikiirguse vigade tuvastamine on oluline paljude tehnoloogiaharude jaoks. , näiteks valandite sisemiste defektide (kestad, räbu lisandid), rööbaste pragude ja keevisõmbluste defektide tuvastamiseks.

Röntgeni struktuurianalüüs võimaldab määrata aatomite ruumilise paigutuse mineraalide ja ühendite kristallvõres, anorgaanilistes ja orgaanilistes molekulides. Arvukate juba dešifreeritud aatomistruktuuride põhjal saab lahendada ka pöördprobleemi: kasutades röntgendifraktsioonimustrit polükristalliline aine, näiteks legeerteras, sulam, maak, kuumuld, saab kindlaks teha selle aine kristalse koostise, s.t. viidi läbi faasianalüüs. Arvukad rakendused R. l. tahkete ainete omaduste uurimiseks kasutatakse materjalide radiograafiat .

Röntgenmikroskoopia võimaldab näiteks saada kujutist rakust või mikroorganismist ja näha nende sisemist struktuuri. Röntgenspektroskoopia röntgenspektrite abil uurib elektroonika olekute tiheduse energiajaotust erinevates ainetes, uurib keemiliste sidemete olemust ning leiab ioonide efektiivse laengu tahketes ainetes ja molekulides. Röntgenikiirguse spektraalanalüüs Iseloomuliku spektri joonte asukoha ja intensiivsuse põhjal võimaldab see määrata aine kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostise ning on ette nähtud materjalide koostise ekspressiivseks mittepurustavaks testimiseks metallurgia- ja tsemenditehastes ning töötlemisettevõtetes. Nende ettevõtete automatiseerimisel kasutatakse aine koostise anduritena röntgenspektromeetreid ja kvantmeetreid.

Kosmosest tulev röntgenikiirgus kannab teavet kosmiliste kehade keemilise koostise ja kosmoses toimuvate füüsikaliste protsesside kohta. Röntgenastronoomia uurib kosmilist röntgenikiirgust. . Võimsat röntgenikiirgust kasutatakse kiirguskeemias teatud reaktsioonide, materjalide polümerisatsiooni ja orgaaniliste ainete pragunemise stimuleerimiseks. Röntgenikiirgust kasutatakse ka hilise maalikihi alla peidetud iidsete maalide tuvastamiseks, toiduainetööstuses kogemata toiduainetesse sattunud võõrkehade tuvastamiseks, kohtuekspertiisis, arheoloogias jne.

Peatükk 3. Röntgenikiirguse rakendamine metallurgias

Röntgendifraktsioonanalüüsi üks peamisi ülesandeid on materjali materjali või faasikoostise määramine. Röntgendifraktsioonimeetod on otsene ja seda iseloomustab kõrge töökindlus, kiirus ja suhteline odavus. Meetod ei vaja suurt kogust ainet, analüüsi saab läbi viia ilma detaili hävitamata. Kvalitatiivse faasianalüüsi rakendusalad on väga mitmekesised, nii uurimistööks kui ka kontrollimiseks tootmises. Saate kontrollida metallurgilise tootmise lähteainete koostist, sünteesitooteid, töötlemist, faasimuutuste tulemust termilise ja keemilis-termilise töötlemise käigus, analüüsida erinevaid katteid, õhukesi kilesid jne.

Iga faasi, millel on oma kristallstruktuur, iseloomustab teatud tasanditevaheliste kauguste d/n diskreetsete väärtuste kogum, mis on omane ainult sellele faasile, maksimumist ja allapoole. Nagu Wulff-Braggi võrrandist järeldub, vastab iga tasanditevahelise kauguse väärtus polükristallilise proovi röntgendifraktsioonimustri joonele teatud nurga θ all (antud lainepikkuse λ korral). Seega vastab teatud tasanditevaheliste kauguste kogum röntgendifraktsioonimustri iga faasi jaoks teatud joonte süsteemile (difraktsioonimaksimumid). Nende joonte suhteline intensiivsus röntgendifraktsioonimustris sõltub eelkõige faasi struktuurist. Seega, määrates röntgenpildil joonte asukoha (selle nurga θ) ja teades röntgenipildi tegemise kiirguse lainepikkust, saame määrata tasapindadevaheliste kauguste d/ väärtused. n kasutades Wulff-Braggi valemit:

/n = λ/ (2sin θ). (1)

Määrates uuritavale materjalile d/n hulga ja võrreldes seda varem tuntud puhaste ainete ja nende erinevate ühendite d/n andmetega, on võimalik kindlaks teha, milline faas antud materjali moodustab. Tuleb rõhutada, et faasid on need, mis määratakse, ja mitte keemiline koostis, kuid viimast võib mõnikord järeldada, kui konkreetse faasi elementide koostise kohta on täiendavaid andmeid. Kvalitatiivse faasianalüüsi ülesannet hõlbustab oluliselt see, kui on teada uuritava materjali keemiline koostis, sest siis saab teha esialgseid oletusi võimalike sel juhul faasid.

Faasianalüüsi puhul on peamine d/n ja joone intensiivsuse täpne mõõtmine. Kuigi seda on difraktomeetriga põhimõtteliselt lihtsam saavutada, on kvalitatiivse analüüsi fotomeetodil mõned eelised, eeskätt tundlikkuse (võime tuvastada väikese koguse faasi olemasolu proovis) ja ka analüüsi lihtsuse osas. eksperimentaalne tehnika.

D/n arvutamine röntgendifraktsioonimustrist tehakse Wulff-Braggi võrrandi abil.

λ väärtust selles võrrandis kasutatakse tavaliselt λ α avg K-seeria:

λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Mõnikord kasutatakse rida K α1. Kõigi röntgenfotode ridade difraktsiooninurkade θ määramine võimaldab arvutada d/n võrrandi (1) abil ja eraldada β-jooned (kui (β-kiirte jaoks) filtrit ei olnud).

3.1 Kristallstruktuuri puuduste analüüs

Kõik tõelised ühekristallilised ja eriti polükristallilised materjalid sisaldavad teatud struktuurilisi defekte (punktdefektid, dislokatsioonid, erinevat tüüpi liidesed, mikro- ja makropinged), millel on väga tugev mõju kõigi struktuuritundlike omaduste ja protsesside jaoks.

Struktuursed ebatäiuslikkused põhjustavad kristallvõres erinevat tüüpi häireid ja sellest tulenevalt erinevad tüübid muutused difraktsioonimustris: muutused aatomitevahelistes ja tasanditevahelistes kaugustes põhjustavad difraktsioonimaksimumide nihkumist, mikropinged ja alamstruktuuri dispersioon põhjustavad difraktsioonimaksimumide laienemist, võre mikromoonutused põhjustavad muutusi nende maksimumide intensiivsuses, dislokatsioonide esinemine põhjustab anomaalset nähtused röntgenikiirte läbimisel ja sellest tulenevalt kontrasti lokaalsed ebahomogeensused röntgeni topogrammidel jne.

Sellest tulenevalt on röntgendifraktsioonanalüüs üks informatiivsemaid meetodeid struktuursete puuduste, nende tüübi ja kontsentratsiooni ning jaotuse olemuse uurimiseks.

Traditsiooniline otsene röntgendifraktsiooni meetod, mida rakendatakse statsionaarsetel difraktomeetritel, võimaldab nende disainiomaduste tõttu kvantifitseerimine pinged ja pinged ainult osadest või esemetest lõigatud väikestel proovidel.

Seetõttu on praegu käimas üleminek statsionaarsetelt väikesemõõtmelistelt kaasaskantavatele röntgendifraktomeetritele, mis võimaldavad hinnata detailide või esemete materjali pingeid ilma nende valmistamise ja kasutamise etappides purunemata.

DRP * 1 seeria kaasaskantavad röntgendifraktomeetrid võimaldavad jälgida jääk- ja efektiivseid pingeid suurtes osades, toodetes ja konstruktsioonides ilma neid hävitamata.

Windowsi keskkonnas olev programm võimaldab mitte ainult pingeid reaalajas "sin 2 ψ" meetodil määrata, vaid jälgida ka faasikompositsiooni ja tekstuuri muutusi. Lineaarkoordinaatide detektor tagab samaaegse registreerimise difraktsiooninurkade 2θ = 43° juures. Seadme kiirgusohutuse tagavad väikesemõõtmelised suure heledusega ja väikese võimsusega (5 W) "Fox" tüüpi röntgentorud, milles kiiritatud alast 25 cm kaugusel on kiirgustase võrdne loomuliku tausta tase. DRP-seeria seadmeid kasutatakse pingete määramiseks metalli vormimise erinevates etappides, lõikamisel, lihvimisel, kuumtöötlemisel, keevitamisel, pinnakarastamisel, et optimeerida neid tehnoloogilisi toiminguid. Indutseeritud jääksurvepingete taseme languse jälgimine eriti kriitilistes toodetes ja konstruktsioonides nende töö ajal võimaldab toote kasutusest kõrvaldada enne selle hävitamist, vältides võimalikke õnnetusi ja katastroofe.

3.2 Spektraalanalüüs

Lisaks materjali aatomi kristallstruktuuri ja faasilise koostise määramisele on selle täielikuks iseloomustamiseks vaja määrata selle keemiline koostis.

Üha enam kasutatakse nendel eesmärkidel praktikas erinevaid nn instrumentaalseid spektraalanalüüsi meetodeid. Igal neist on oma eelised ja rakendused.

Üks oluline nõue on paljudel juhtudel, et kasutatav meetod tagaks analüüsitava objekti ohutuse; Just neid analüüsimeetodeid käsitletakse selles osas. Järgmine kriteerium, mille järgi käesolevas jaotises kirjeldatud analüüsimeetodid valiti, on nende asukoht.

Fluorestsentsröntgeni spektraalanalüüsi meetod põhineb küllalt kõva röntgenkiirguse (röntgentorust) tungimisel analüüsitavasse objekti, mis tungib umbes mitme mikromeetri paksusesse kihti. Objektile ilmuv iseloomulik röntgenkiirgus võimaldab saada keskmisi andmeid selle keemilise koostise kohta.

Aine elementaarse koostise määramiseks võite kasutada röntgentoru anoodile asetatud ja elektronidega pommitatud proovi iseloomuliku röntgenkiirguse spektri analüüsi - emissioonimeetodit või analüüsi röntgentorust või muust allikast pärit kõva röntgenikiirgusega kiiritatud proovi sekundaarse (fluorestseeruva) röntgenkiirguse spekter - fluorestsentsmeetod.

Emissioonimeetodi puuduseks on esiteks vajadus asetada proov röntgentoru anoodile ja seejärel vaakumpumpadega välja pumbata; Ilmselgelt ei sobi see meetod sulavate ja lenduvate ainete jaoks. Teine puudus on seotud asjaoluga, et isegi tulekindlad objektid saavad elektronpommitamise tõttu kahjustatud. Fluorestsentsmeetodil ei ole neid puudusi ja seetõttu on sellel palju laiem rakendus. Fluorestsentsmeetodi eeliseks on ka bremsstrahlung-kiirguse puudumine, mis parandab analüüsi tundlikkust. Mõõdetud lainepikkuste võrdlemine keemiliste elementide spektrijoonte tabelitega on aluseks kvalitatiivsele analüüsile ja spektrijoonte intensiivsuse suhtelistele väärtustele. erinevaid elemente, moodustades prooviaine, on kvantitatiivse analüüsi aluseks. Iseloomuliku röntgenikiirguse ergastusmehhanismi uurimisel on selge, et ühe või teise seeria (K või L, M jne) kiirgus tekib samaaegselt ning seeriasisesed joonte intensiivsuste suhted on alati konstantsed. . Seetõttu tuvastatakse ühe või teise elemendi olemasolu mitte üksikute ridade, vaid ridade kui terviku abil (välja arvatud nõrgim, võttes arvesse antud elemendi sisu). Suhteliselt kergete elementide puhul kasutatakse K-seeria liinide analüüsi, raskete elementide puhul - L-seeria liine; V erinevad tingimused(olenevalt kasutatavast seadmest ja analüüsitavatest elementidest) võivad kõige mugavamad olla iseloomuliku spektri erinevad alad.

Röntgenkiirguse spektraalanalüüsi põhijooned on järgmised.

Röntgenikiirguse iseloomulike spektrite lihtsus isegi raskete elementide puhul (võrreldes optiliste spektritega), mis lihtsustab analüüsi (väike joonte arv; sarnasus nende suhtelises paigutuses; järgarvu suurenemisega kaasneb spektri loomulik nihe lühilaine piirkonda, kvantitatiivse analüüsi võrdlev lihtsus).

Lainepikkuste sõltumatus analüüsitava elemendi aatomite olekust (vabalt või keemilises ühendis). See on tingitud asjaolust, et iseloomuliku röntgenikiirguse ilmnemine on seotud sisemiste elektrooniliste tasemete ergastamisega, mis enamikul juhtudel praktiliselt ei muutu sõltuvalt aatomite ionisatsiooniastmest.

Võimalus eraldada analüüsis haruldasi muldmetalle ja mõningaid teisi elemente, millel on väliskesta elektronstruktuuri sarnasusest tulenevalt väikesed spektrite erinevused optilises vahemikus ja mis erinevad väga vähe oma keemiliste omaduste poolest.

Römeetod on "mittepurustav", seega on sellel õhukeste proovide - õhuke metallleht, foolium jne - analüüsimisel eelis tavapärase optilise spektroskoopia meetodi ees.

Eriti laialdaselt on metallurgiaettevõtetes kasutusele võetud röntgenfluorestsentsspektromeetrid, sealhulgas mitmekanalilised spektromeetrid või kvantomeetrid, mis võimaldavad elementide (Na või Mg kuni U) kiiret kvantitatiivset analüüsi veaga, mis on väiksem kui 1% määratud väärtusest, tundlikkuslävi. 10 -3 ... 10 -4% .

röntgenikiir

Röntgenkiirguse spektraalse koostise määramise meetodid

Spektromeetrid jagunevad kahte tüüpi: kristalldifraktsiooniga ja kristallivabad.

Röntgenikiirguse lammutamine spektriks, kasutades looduslikku difraktsioonvõre – kristalli – on sisuliselt sarnane tavaliste valguskiirte spektri saamisega, kasutades klaasil perioodiliste joonte kujul kunstlikku difraktsioonvõret. Difraktsioonimaksimumi moodustumise tingimuseks võib kirjutada “peegelduse” tingimuseks paralleelsete aatomitasandite süsteemist, mida eraldab vahemaa d hkl.

Kvalitatiivse analüüsi läbiviimisel saab konkreetse elemendi olemasolu proovis hinnata ühe joone järgi – tavaliselt on see antud kristallanalüsaatorile sobiva spektrirea kõige intensiivsem joon. Kristallide difraktsioonispektromeetrite eraldusvõime on piisav, et eraldada perioodilisustabelis naabruses olevate paariselementide iseloomulikud jooned. Arvestada tuleb aga ka erinevate elementide erinevate joonte kattumisega, aga ka erineva järjekorra peegelduste kattumisega. Seda asjaolu tuleb analüüsiliinide valimisel arvesse võtta. Samal ajal on vaja kasutada seadme eraldusvõime parandamise võimalusi.

Järeldus

Seega on röntgenikiirgus nähtamatu elektromagnetkiirgus lainepikkusega 10 5 - 10 2 nm. Röntgenikiirgus võib tungida läbi teatud materjalide, mis on nähtavale valgusele läbipaistmatud. Need eralduvad aine kiirete elektronide aeglustumise ajal (pidev spekter) ja elektronide üleminekul aatomi välistelt elektronkihtidelt sisemistele (joonspekter). Röntgenkiirguse allikad on: röntgenitoru, mõned radioaktiivsed isotoobid, kiirendid ja elektronide salvestamise seadmed (sünkrotronkiirgus). Vastuvõtjad - fotofilmid, fluorestseeruvad ekraanid, tuumakiirguse detektorid. Röntgenikiirgust kasutatakse röntgendifraktsioonanalüüsis, meditsiinis, vigade tuvastamisel, röntgenspektraalanalüüsis jne.

Olles kaalunud positiivseid külgi V. Röntgeni avastamisel on vaja märkida selle kahjulik bioloogiline mõju. Selgus, et röntgenikiirgus võib põhjustada midagi tugevat päikesepõletus(erüteem), millega kaasneb aga sügavam ja püsivam nahakahjustus. Tekkivad haavandid muutuvad sageli vähiks. Paljudel juhtudel tuli amputeerida sõrmed või käed. Oli ka surmajuhtumeid.

On leitud, et nahakahjustusi saab vältida kokkupuuteaja ja doosi vähendamise, varjestuse (nt plii) ja kaugjuhtimispultide kasutamisega. Kuid järk-järgult ilmnesid röntgenkiirguse muud pikaajalisemad tagajärjed, mida seejärel kinnitati ja uuriti katseloomadel. Röntgenkiirguse toime põhjustatud mõjudele, aga ka muudele ioniseeriv kiirgus(nagu radioaktiivsete materjalide tekitatud gammakiirgus) hõlmavad järgmist:

) ajutised muutused vere koostises pärast suhteliselt väikest liigkiirgust;

) pöördumatud muutused vere koostises (hemolüütiline aneemia) pärast pikaajalist liigset kiiritamist;

) suurenenud vähktõve (sh leukeemia) esinemissagedus;

) kiirem vananemine ja varajane surm;

) katarakti esinemine.

Röntgenikiirguse bioloogiline mõju inimkehale määratakse kiirgusdoosi tasemega, samuti sellega, milline kehaorgan kiirgusega kokku puutus.

Teadmiste kogunemine röntgenikiirguse mõju kohta inimkehale on viinud riiklike ja rahvusvaheliste lubatud kiirgusdooside standardite väljatöötamiseni, mis on avaldatud erinevates teatmeväljaannetes.

Vältima kahjulikud mõjud Kasutatakse röntgenkiirguse kontrollimise meetodeid:

) piisava varustuse olemasolu,

) ohutuseeskirjade järgimise jälgimine,

) seadmete õiget kasutamist.

Kasutatud allikate loetelu

1) Blokhin M.A., Physics of X-rays, 2. väljaanne, M., 1957;

) Blokhin M.A., Methods of X-ray spectral studies, M., 1959;

) röntgenikiirgus. laup. toimetanud M.A. Blokhina, per. temaga. ja inglise keel, M., 1960;

) Kharaja F., Röntgentehnoloogia üldkursus, 3. väljaanne, M. - L., 1966;

) Mirkin L.I., Käsiraamat polükristallide röntgenkiirte struktuurianalüüsi kohta, M., 1961;

) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Röntgenspektroskoopia võrdlustabelid, M., 1953.

) Röntgen- ja elektronoptiline analüüs. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Õpik. Käsiraamat ülikoolidele. - 4. väljaanne. Lisama. Ja ümber töödeldud. - M.: "MISiS", 2002. - 360 lk.

Rakendused

Lisa 1

Röntgentorude üldvaade

2. lisa

Röntgentoru diagramm struktuurianalüüsiks

Struktuurianalüüsi röntgentoru skeem: 1 - metallist anooditops (tavaliselt maandatud); 2 - berülliumaknad röntgenikiirguse jaoks; 3 - termokatood; 4 - klaaskolb, mis eraldab toru anoodiosa katoodist; 5 - katoodklemmid, millele toidetakse hõõgniidi pinge, samuti kõrge (anoodi suhtes) pinge; 6 - elektrostaatiline elektronide teravustamissüsteem; 7 - anood (anti-katood); 8 - anooditopsi jahutava jooksva vee sisse- ja väljalasketorud.

3. lisa

Moseley diagramm

Moseley diagramm iseloomuliku röntgenkiirguse K-, L- ja M-seeria jaoks. Abstsisstelg näitab elemendi Z seerianumbrit ja ordinaattelg näitab ( Koos- valguse kiirus).

4. lisa

Ionisatsioonikamber.

Joonis 1. Silindrilise ionisatsioonikambri ristlõige: 1 - silindrilise kambri korpus, mis toimib negatiivse elektroodina; 2 - silindriline varras, mis toimib positiivse elektroodina; 3 - isolaatorid.

Riis. 2. Voolu ionisatsioonikambri sisselülitamise skeem: V - pinge kambri elektroodidel; G - ionisatsioonivoolu mõõtev galvanomeeter.

Riis. 3. Ionisatsioonikambri voolu-pinge omadused.

Riis. 4. Impulssionisatsioonikambri ühendusskeem: C - kogumiselektroodi mahtuvus; R - takistus.

5. lisa

Stsintillatsiooniloendur.

Stsintillatsiooniloendurahel: valguskvandid (footonid) "tõrjuvad" elektronid fotokatoodilt; dünoodilt dünoodile liikudes elektronide laviin mitmekordistub.

6. lisa

Geiger-Mülleri loendur.

Riis. 1. Klaasist Geiger-Mülleri loenduri skeem: 1 - hermeetiliselt suletud klaastoru; 2 - katood (õhuke vasekiht roostevabast terasest torul); 3 - katoodväljund; 4 - anood (õhuke venitatud niit).

Riis. 2. Geigeri-Mülleri loenduri ühendamise skeem.

Riis. 3. Geiger-Mülleri loenduri loendamisomadused.

7. lisa

Proportsionaalne loendur.

Proportsionaalse loenduri skeem: a - elektronide triivi piirkond; b - gaasi suurendamise piirkond.

8. lisa

Pooljuhtdetektorid

Pooljuhtdetektorid; Tundlik ala on varjutatud; n - elektroonse juhtivusega pooljuhi piirkond, p - aukjuhtivusega, i - sisejuhtivusega; a - räni pinna barjääri detektor; b - triivi germaanium-liitium tasapinnaline detektor; c - germaanium-liitium koaksiaaldetektor.

1895. aastal avastas saksa füüsik Roentgen vaakumis kahe elektroodi vahelise voolu läbimise katseid tehes, et luminestseeruva ainega (baariumsoolaga) kaetud ekraan helendab, kuigi tühjendustoru on kaetud musta papist ekraaniga – see on see, kuidas kiirgus tungib läbi läbipaistmatute barjääride, mida nimetatakse röntgenkiirteks röntgenkiirteks. Avastati, et inimesele nähtamatu röntgenkiirgus neeldub läbipaistmatutes objektides, mida tugevamini, mida suurem on barjääri aatomnumber (tihedus), mistõttu röntgenikiirgus läbib kergesti inimkeha pehmeid kudesid, kuid neid hoiavad kinni luustiku luud. Võimsate röntgenikiirguse allikad on loodud selleks, et võimaldada valgustada metallosi ja leida neis sisemisi defekte.

Saksa füüsik Laue pakkus, et röntgenikiirgus on samasugune elektromagnetiline kiirgus nagu nähtav valguskiired, kuid lühema lainepikkusega ja neile kehtivad kõik optikaseadused, sealhulgas difraktsioonivõimalus. Nähtava valguse optikas saab difraktsiooni elementaartasandil kujutada valguse peegeldumisena joonte süsteemist - difraktsioonivõrena, mis tekib ainult teatud nurkade all ja kiirte peegeldusnurk on seotud langemisnurgaga. , difraktsioonvõre joonte ja langeva kiirguse lainepikkuse vaheline kaugus. Difraktsiooni tekkimiseks peab joonte vaheline kaugus olema ligikaudu võrdne langeva valguse lainepikkusega.

Laue pakkus välja, et röntgenikiirguse lainepikkus on lähedane kristallides üksikute aatomite vahelisele kaugusele, st. kristallis olevad aatomid loovad röntgenikiirguse jaoks difraktsioonvõre. Kristalli pinnale suunatud röntgenikiirgus peegeldus fotoplaadile, nagu teooria ennustas.

Igasugused muutused aatomite asendis mõjutavad difraktsioonimustrit ning röntgendifraktsiooni uurides saab teada aatomite paigutust kristallis ja selle paigutuse muutumist mistahes füüsikaliste, keemiliste ja mehaaniliste mõjude korral kristallile.

Tänapäeval kasutatakse röntgenanalüüsi paljudes teaduse ja tehnika valdkondades, selle abil on kindlaks tehtud aatomite paigutus olemasolevates materjalides ning loodud uusi etteantud struktuuri ja omadustega materjale. Hiljutised edusammud selles valdkonnas (nanomaterjalid, amorfsed metallid, komposiitmaterjalid) loovad tegevusvälja järgmistele teaduspõlvkondadele.

Röntgenkiirguse esinemine ja omadused

Röntgenikiirguse allikaks on röntgenitoru, millel on kaks elektroodi – katood ja anood. Katoodi kuumutamisel toimub elektronide emissioon, katoodilt väljuvad elektronid kiirendavad elektrivälja toimel ja tabavad anoodi pinda. Röntgentoru eristab tavapärasest raadiotorust (dioodist) peamiselt selle kõrgem kiirenduspinge (üle 1 kV).

Kui elektron katoodilt lahkub, sunnib elektriväli teda lendama anoodi poole, samal ajal kui selle kiirus pidevalt suureneb; elektron kannab magnetvälja, mille tugevus suureneb elektroni kiiruse suurenedes. Jõudes anoodi pinnale, aeglustub elektron järsult ja ilmub teatud intervalliga lainepikkustega elektromagnetimpulss (bremsstrahlung). Kiirguse intensiivsuse jaotus lainepikkuste lõikes sõltub röntgentoru anoodi materjalist ja rakendatavast pingest, lühilaine poolel algab see kõver aga sõltuvalt rakendatavast pingest teatud lävi minimaalse lainepikkusega. Kõikide võimalike lainepikkustega kiirte kombinatsioon moodustab pideva spektri ja maksimaalsele intensiivsusele vastav lainepikkus on 1,5 korda suurem kui minimaalne lainepikkus.

Pinge kasvades muutub röntgenikiirguse spekter dramaatiliselt tänu aatomite interaktsioonile suure energiaga elektronidega ja primaarsete röntgenikiirte kvantidega. Aatom sisaldab sisemisi elektronkihte ( energiatasemed), mille arv sõltub aatomarvust (tähistatakse K, L, M jne tähtedega) Elektronid ja primaarne röntgenikiirgus löövad elektronid ühelt energiatasemelt teisele. Tekib metastabiilne olek ja stabiilsesse olekusse üleminekuks on vajalik elektronide hüpe vastupidises suunas. Selle hüppega kaasneb energiakvanti vabanemine ja röntgenikiirguse ilmumine. Erinevalt pideva spektriga röntgenikiirgusest on sellel kiirgusel väga kitsas lainepikkuste vahemik ja kõrge intensiivsus (iseloomulik kiirgus) ( cm. riis.). Iseloomuliku kiirguse intensiivsust määravate aatomite arv on väga suur, näiteks vaskanoodiga röntgentoru puhul pingel 1 kV ja voolul 15 mA tekitab karakteristiku 10 14 – 10 15 aatomit. kiirgus 1 sekundiga. See väärtus arvutatakse röntgenkiirguse koguvõimsuse suhtena K-koorest (röntgenikiirguse iseloomuliku kiirguse K-seeria) saadud röntgenkvanti energiasse. Röntgenkiirguse koguvõimsus moodustab vaid 0,1% energiatarbimisest, ülejäänu läheb kaotsi peamiselt soojuseks muutumise tõttu.

Oma suure intensiivsuse ja kitsa lainepikkuste vahemiku tõttu on iseloomulikud röntgenikiirgused peamised teadusuuringutes ja protsesside juhtimises kasutatavad kiirgused. Samaaegselt K-seeria kiirtega tekivad L- ja M-seeria kiired, mille lainepikkus on oluliselt pikem, kuid nende kasutamine on piiratud. K-seerias on kaks komponenti lähedase lainepikkusega a ja b, samas kui b-komponendi intensiivsus on 5 korda väiksem kui a. A-komponenti omakorda iseloomustavad kaks väga lähedast lainepikkust, millest ühe intensiivsus on 2 korda suurem kui teisel. Ühe lainepikkusega kiirguse (monokromaatiline kiirgus) saamiseks on välja töötatud spetsiaalsed meetodid, mis kasutavad röntgenkiirte neeldumise ja difraktsiooni sõltuvust lainepikkusest. Elemendi aatomarvu suurenemine on seotud elektronkestade omaduste muutumisega ja mida suurem on röntgenitoru anoodi materjali aatomnumber, seda lühem on K-seeria lainepikkus. Enim kasutatakse anoodidega torusid, mis on valmistatud elementidest, mille aatomnumber on 24–42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) ja mille lainepikkus on 2,29–0,712 A (0,229–0,712 nm).

Röntgenkiirguse allikateks võivad lisaks röntgentorule olla radioaktiivsed isotoobid, osad võivad kiirgada otse röntgenikiirgust, teised elektrone ja a-osakesi, mis tekitavad metallsihtmärkide pommitamisel röntgenikiirgust. Radioaktiivsete allikate röntgenkiirguse intensiivsus on tavaliselt palju väiksem kui röntgentoru (välja arvatud radioaktiivne koobalt, mida kasutatakse vigade tuvastamiseks ja mis tekitab väga lühikese lainepikkusega kiirgust - g-kiirgust), need on väikesed ja ei vaja elektrit. Sünkrotronröntgenikiirgus toodetakse elektronkiirendites, selle kiirguse lainepikkus on oluliselt pikem kui röntgentorudes saadav (pehme röntgenkiirgus) ja selle intensiivsus on mitu suurusjärku suurem kui röntgenikiirguse intensiivsus. torud. Samuti on olemas looduslikud allikad Röntgenikiirgus. Radioaktiivseid lisandeid on leitud paljudest mineraalidest ning on registreeritud kosmoseobjektide, sealhulgas tähtede, röntgenikiirgus.

Röntgenikiirguse koostoime kristallidega

Kell Röntgenuuring kristallilise struktuuriga materjale analüüsitakse kristallvõre aatomite hulka kuuluvate elektronide röntgenkiirte hajumisel tekkivaid interferentsimustreid. Aatomeid peetakse liikumatuteks, nende termilisi vibratsioone ei võeta arvesse ning sama aatomi kõik elektronid loetakse kontsentreerituks ühte punkti – kristallvõre sõlme.

Kristalli röntgendifraktsiooni põhivõrrandite tuletamiseks võetakse arvesse kristallvõres piki sirgjoont paiknevate aatomite hajutatud kiirte interferentsi. Monokromaatilise röntgenkiirguse tasapinnaline laine langeb nendele aatomitele nurga all, mille koosinus on võrdne nulliga. Aatomite poolt hajutatud kiirte interferentsi seadused on sarnased difraktsioonvõre omadega, mis hajutavad valguskiirgust nähtava lainepikkuse vahemikus. Selleks, et kõigi võngete amplituudid aatomireast suurel kaugusel summeeruks, on vajalik ja piisav, et igast naaberaatomipaarist tulevate kiirte liikumisteede erinevus sisaldab täisarvu lainepikkusi. Kui aatomite vaheline kaugus A see tingimus näeb välja selline:

A(a – a 0) = h l,

kus a on aatomirea ja kõrvalekaldud kiire vahelise nurga koosinus, h – täisarv. Kõigis suundades, mis seda võrrandit ei rahulda, kiired ei levi. Seega moodustavad hajutatud kiired koaksiaalsete koonuste süsteemi, mille ühiseks teljeks on aatomirida. Koonuste jäljed aatomireaga paralleelsel tasapinnal on hüperboolid, reaga risti asetseval tasapinnal aga ringid.

Kui kiired langevad konstantse nurga all, laguneb polükromaatiline (valge) kiirgus fikseeritud nurkade all kõrvalekalduvate kiirte spektriks. Seega on aatomiseeria röntgenikiirguse spektrograaf.

Üldistus kahemõõtmelisele (tasapinnalisele) aatomvõrele ja seejärel kolmemõõtmelisele mahulisele (ruumilisele) kristallvõrele annab veel kaks sarnast võrrandit, mis sisaldavad röntgenkiirguse langemis- ja peegeldusnurki ning aatomite vahelisi kaugusi. kolm suunda. Neid võrrandeid nimetatakse Laue võrranditeks ja need on röntgendifraktsioonianalüüsi aluseks.

Paralleelsetelt aatomitasanditelt peegelduvate kiirte amplituudid liidetakse jne. aatomite arv on väga suur, peegeldunud kiirgust saab katseliselt tuvastada. Peegeldustingimust kirjeldab Wulff-Braggi võrrand2d sinq = nl, kus d on kõrvuti asetsevate aatomitasandite vaheline kaugus, q on nurk langeva kiire suuna ja nende tasandite vahel kristallis, l on kristalli lainepikkus. röntgenkiirgus, n on täisarv, mida nimetatakse peegelduse järjekorraks. Nurk q on langemisnurk konkreetselt aatomitasandite suhtes, mis ei pruugi suunaliselt kokku langeda uuritava proovi pinnaga.

Röntgendifraktsioonanalüüsiks on välja töötatud mitmeid meetodeid, kasutades nii pideva spektriga kiirgust kui ka monokromaatilist kiirgust. Uuritav objekt võib olla paigal või pöörlev, võib koosneda ühest kristallist (üksikkristall) või mitmest (polükristall), difraktsioonkiirgust saab salvestada lameda või silindrilise röntgenkile või ümbermõõdul liikuva röntgendetektori abil, kuid kõigil juhtudel kasutatakse katse ja tulemuste tõlgendamise ajal Wulff-Braggi võrrandit.

Röntgenanalüüs teaduses ja tehnoloogias

Röntgendifraktsiooni avastamisega oli teadlaste käsutuses meetod, mis võimaldas ilma mikroskoobita uurida üksikute aatomite paigutust ja selle paigutuse muutusi välismõjude mõjul.

Röntgenikiirguse põhiliseks rakenduseks fundamentaalteaduses on struktuurianalüüs, s.o. üksikute aatomite ruumilise paigutuse kehtestamine kristallis. Selleks kasvatatakse monokristalle ja tehakse röntgenanalüüs, kus uuritakse nii peegelduste asukohti kui ka intensiivsust. Nüüdseks on kindlaks tehtud mitte ainult metallide, vaid ka keeruliste orgaaniliste ainete struktuurid, mille ühikrakud sisaldavad tuhandeid aatomeid.

Mineraloogias on röntgenanalüüsi abil määratud tuhandete mineraalide struktuure ning loodud ekspressmeetodid mineraalsete toorainete analüüsimiseks.

Metallid on suhteliselt lihtsa kristallstruktuuriga ning röntgenimeetod võimaldab uurida selle muutusi erinevate tehnoloogiliste töötluste käigus ning luua uute tehnoloogiate füüsikalise baasi.

Sulamite faasilise koostise määrab röntgendifraktsioonimustrite joonte asukoht, kristallide arv, suurus ja kuju määratakse nende laiuse järgi ning kristallide orientatsioon (tekstuur) määratakse intensiivsusega. jaotus difraktsioonikoonuses.

Neid tehnikaid kasutades uuritakse protsesse ajal plastiline deformatsioon, sealhulgas kristallide killustumine, välimus sisemised pinged ja kristallstruktuuri puudused (dislokatsioonid). Deformeerunud materjalide kuumutamisel uuritakse pingete leevendamist ja kristallide kasvu (rekristalliseerumist).

Sulamite röntgenanalüüs määrab tahkete lahuste koostise ja kontsentratsiooni. Tahke lahuse ilmnemisel muutuvad aatomitevahelised kaugused ja sellest tulenevalt ka aatomitasandite vahelised kaugused. Need muutused on väikesed, seetõttu on tavapäraste röntgenuuringute meetodite abil välja töötatud spetsiaalsed täppismeetodid kristallvõre perioodide mõõtmiseks täpsusega, mis on kaks suurusjärku suurem kui mõõtmistäpsus. Kristallvõre perioodide täppismõõtmiste ja faasianalüüsi kombineerimine võimaldab faasidiagrammis konstrueerida faasipiirkondade piirid. Röntgenimeetodil on võimalik tuvastada ka vaheolekuid tahkete lahuste ja keemiliste ühendite vahel – järjestatud tahked lahused, milles lisandi aatomid ei paikne juhuslikult, nagu tahketes lahustes, ja samal ajal mitte ruumilises järjestuses, nagu keemias. ühendid. Järjestatud tahkete lahuste röntgendifraktsioonimustrid sisaldavad lisajooni; röntgendifraktsioonimustrite tõlgendamine näitab, et lisandiaatomid hõivavad teatud kohad kristallvõres, näiteks kuubi tippudes.

Kui sulam, mis ei läbi faasimuutusi, kustutatakse, võib tekkida üleküllastunud tahke lahus ja edasisel kuumutamisel või isegi toatemperatuuril hoidmisel tahke lahus laguneb koos keemilise ühendi osakeste vabanemisega. See on vananemise mõju ja see ilmneb röntgenülesvõtetel joonte asukoha ja laiuse muutusena. Vananemisuuringud on eriti olulised värviliste metallide sulamite puhul, näiteks vananemine muudab pehme, karastatud alumiiniumisulami vastupidavaks konstruktsioonimaterjaliks duralumiiniumiks.

Terase kuumtöötlemise röntgenuuringud on tehnoloogiliselt kõige suurema tähtsusega. Terase karastamisel (kiirjahutamisel) toimub difusioonivaba austeniit-martensiit faasiüleminek, mis viib struktuuri muutumiseni kuubilisest tetragonaalseks, s.t. ühikrakk võtab ristkülikukujulise prisma kuju. Röntgenülesvõtetel väljendub see joonte laienemisena ja mõne joone jagunemisena kaheks. Selle efekti põhjuseks ei ole mitte ainult kristallstruktuuri muutus, vaid ka martensiitse struktuuri termodünaamilise tasakaalustamatuse ja äkilise jahtumise tõttu tekkivad suured sisepinged. Karastamisel (karastatud terase kuumutamisel) kitsenevad röntgendifraktsioonimustrite jooned, mis on seotud tasakaalustruktuuri naasmisega.

Viimastel aastatel on suurt tähtsust omandanud kontsentreeritud energiavoogudega materjalide (laserikiired, lööklained, neutronid, elektronimpulssid) töötlemise röntgenuuringud, mis nõudsid uusi tehnikaid ja tekitasid uusi röntgeniefekte. Näiteks kui laserkiired mõjutavad metalle, siis kuumenemine ja jahtumine toimub nii kiiresti, et jahtumise ajal jõuavad metallis olevad kristallid kasvada vaid mitme elementaarraku (nanokristalli) suuruseks või ei jõua üldse tekkida. Pärast jahutamist näeb selline metall välja nagu tavaline metall, kuid ei anna röntgendifraktsioonimustrile selgeid jooni ja peegeldunud röntgenikiirgus jaotub kogu nurkade ulatuses.

Pärast neutronkiirgust ilmuvad röntgendifraktsioonimustritele täiendavad laigud (hajutatud maksimumid). Radioaktiivne lagunemine põhjustab ka spetsiifilisi röntgeniefekte, mis on seotud struktuurimuutustega, samuti asjaolu, et uuritav proov muutub ise röntgenkiirguse allikaks.

Röntgenikiirgus
nähtamatu kiirgus, mis on võimeline läbima, kuigi erineval määral, kõiki aineid. Tegemist on umbes 10-8 cm lainepikkusega elektromagnetkiirgusega Sarnaselt nähtavale valgusele põhjustab röntgenikiirgus fotofilmi mustaks muutumist. See omadus on oluline meditsiini, tööstuse ja teadusuuringute jaoks. Uuritavat objekti läbides ja seejärel fotofilmile langedes kujutab röntgenkiirgus sellel oma sisemist struktuuri. Kuna röntgenikiirguse läbitungimisvõime on erinevate materjalide puhul erinev, tekitavad objekti osad, mis on sellele vähem läbipaistvad, fotol heledamad alad kui need, millest kiirgus hästi läbi tungib. Seega on luukude röntgenikiirgusele vähem läbipaistev kui kude, millest koosneb nahk ja siseorganid. Seetõttu paistavad luud röntgenipildil heledamate aladena ja kiirgusele läbipaistvam murdekoht on üsna hõlpsasti tuvastatav. Röntgenikiirgust kasutatakse ka hambaravis hambajuurte kaariese ja abstsesside avastamiseks ning tööstuses valandite, plastide ja kummide pragude tuvastamiseks. Röntgenikiirgust kasutatakse keemias ühendite analüüsimiseks ja füüsikas kristallide struktuuri uurimiseks. Keemilist ühendit läbiv röntgenkiir tekitab iseloomuliku sekundaarse kiirguse, mille spektroskoopiline analüüs võimaldab keemikul määrata ühendi koostist. Kui röntgenkiir langeb kristallilisele ainele, hajutatakse see kristalli aatomite poolt, andes fotoplaadil selge ja korrapärase pildi täppidest ja triipudest, mis võimaldab kindlaks teha kristalli sisestruktuuri. . Röntgenikiirguse kasutamine vähiravis põhineb sellel, et see tapab vähirakke. Siiski võib see avaldada soovimatut mõju normaalsetele rakkudele. Seetõttu tuleb sellisel viisil röntgenikiirguse kasutamisel olla äärmise ettevaatusega. Röntgenkiirguse avastas saksa füüsik W. Roentgen (1845-1923). Tema nimi on jäädvustatud mitmes teises selle kiirgusega seotud füüsikalises terminis: röntgen on ioniseeriva kiirguse doosi rahvusvaheline ühik; röntgeniaparaadis tehtud pilti nimetatakse radiograafiaks; Radioloogilise meditsiini valdkonda, mis kasutab haiguste diagnoosimiseks ja raviks röntgenikiirgust, nimetatakse radioloogiaks. Röntgen avastas kiirguse 1895. aastal Würzburgi ülikooli füüsikaprofessorina. Katoodkiirtega katseid tehes (elektronide voolamine lahendustorudes) märkas ta, et vaakumtoru lähedal asuv ekraan, mis oli kaetud kristallilise baariumtsüanoplatiniidiga, helendab eredalt, kuigi toru ise oli kaetud musta papiga. Lisaks tegi Roentgen kindlaks, et tema avastatud tundmatute kiirte läbitungimisvõime, mida ta nimetas röntgenkiirteks, sõltus neelava materjali koostisest. Samuti sai ta oma käe luudest kujutise, asetades selle katoodkiirtega lahendustoru ja baariumtsüanoplatiniidiga kaetud ekraani vahele. Röntgeni avastusele järgnesid teiste teadlaste katsed, kes avastasid selle kiirguse palju uusi omadusi ja rakendusi. Suure panuse andsid M. Laue, W. Friedrich ja P. Knipping, kes demonstreerisid 1912. aastal röntgenikiirguse difraktsiooni kristalli läbimisel; W. Coolidge, kes 1913. aastal leiutas kuumutatud katoodiga kõrgvaakumröntgentoru; G. Moseley, kes tegi 1913. aastal kindlaks seose kiirguse lainepikkuse ja elemendi aatomnumbri vahel; G. ja L. Bragg, kes said 1915. aastal Nobeli preemia röntgenstruktuurianalüüsi põhialuste väljatöötamise eest.
Röntgenikiirguse SAAMINE
Röntgenkiirgus tekib siis, kui suurel kiirusel liikuvad elektronid suhtlevad ainega. Kui elektronid põrkuvad mis tahes aine aatomitega, kaotavad nad kiiresti oma kineetilise energia. Sel juhul muutub suurem osa sellest soojuseks ja väike osa, tavaliselt alla 1%, muundatakse röntgenienergiaks. See energia vabaneb kvantidena – footoniteks kutsutavate osakestena, millel on energiat, kuid mille puhkemass on null. Röntgenfootonid erinevad oma energia poolest, mis on pöördvõrdeline nende lainepikkusega. Tavapärane röntgenikiirguse valmistamise meetod tekitab laia lainepikkuste vahemikku, mida nimetatakse röntgenikiirguse spektriks. Spekter sisaldab väljendunud komponente, nagu on näidatud joonisel fig. 1. Laia "kontiinumi" nimetatakse pidevaks spektriks või valgeks kiirguseks. Selle peal asetsevaid teravaid piike nimetatakse iseloomulikeks röntgenikiirguse joonteks. Kuigi kogu spekter on elektronide kokkupõrgete tulemus ainega, on selle laia osa ja joonte ilmnemise mehhanismid erinevad. Aine koosneb suurest hulgast aatomitest, millest igaühel on elektronkihtidega ümbritsetud tuum ja iga elektron teatud elemendi aatomi kestas hõivab teatud diskreetse energiataseme. Tavaliselt on need kestad või energiatasemed tähistatud sümbolitega K, L, M jne, alustades tuumale lähimast kestast. Kui langev elektron piisava suur energia, põrkab kokku ühe aatomiga seotud elektroniga, lööb see elektroni kestast välja. Tühja ruumi võtab enda alla teine ​​kesta elektron, mis vastab kõrgemale energiale. See viimane loobub üleliigsest energiast, kiirgades röntgenikiirguse footoni. Kuna kestaelektronidel on diskreetsed energiaväärtused, on ka saadud röntgenfootonitel diskreetne spekter. See vastab teatud lainepikkuste teravatele tippudele, mille konkreetsed väärtused sõltuvad sihtelemendist. Iseloomulikud jooned moodustavad K-, L- ja M-seeria, olenevalt sellest, millisest kestast (K, L või M) elektron eemaldati. Röntgenikiirguse lainepikkuse ja aatomarvu vahelist seost nimetatakse Moseley seaduseks (joonis 2).

Kui elektron põrkab kokku suhteliselt raske tuumaga, siis see aeglustub ja selle kineetiline energia vabaneb ligikaudu sama energiaga röntgenfootonina. Kui see lendab tuumast mööda, kaotab ta vaid osa oma energiast ja ülejäänu kandub üle teistele aatomitele, mis tema teele satuvad. Iga energiakao akt viib teatud energiaga footoni emissioonini. Ilmub pidev röntgenspekter, mille ülempiir vastab kiireima elektroni energiale. See on pideva spektri moodustumise mehhanism ja maksimaalne energia (või minimaalne lainepikkus), mis fikseerib pideva spektri piiri, on võrdeline kiirenduspingega, mis määrab langevate elektronide kiiruse. Spektrijooned iseloomustavad pommitava sihtmärgi materjali ning pidev spekter on määratud elektronkiire energiaga ja on sihtmaterjalist praktiliselt sõltumatu. Röntgenkiirgust on võimalik saada mitte ainult elektronpommitamise teel, vaid ka kiiritades sihtmärki teisest allikast pärineva röntgenikiirgusega. Sel juhul läheb aga suurem osa langeva kiire energiast iseloomulikku röntgenispektrisse ja väga väike osa sellest pidevasse. On ilmne, et langeva röntgenikiirguse kiir peab sisaldama footoneid, mille energiast piisab pommitava elemendi iseloomulike joonte ergastamiseks. Kõrge energiaprotsent iseloomuliku spektri kohta muudab selle röntgenkiirguse ergastamise meetodi teadusuuringute jaoks mugavaks.
Röntgentorud. Röntgenikiirguse tekitamiseks elektronide ja aine interaktsiooni kaudu peab teil olema elektronide allikas, vahend nende kiirendamiseks suurele kiirusele ja sihtmärk, mis talub elektronide pommitamist ja tekitab vajaliku intensiivsusega röntgenikiirgust. Seda kõike sisaldavat seadet nimetatakse röntgentoruks. Varased teadlased kasutasid "sügavalt evakueeritud" torusid, näiteks kaasaegseid gaaslahendustorusid. Vaakum neis ei olnud väga suur. Tühjendustorud sisaldavad väikeses koguses gaasi ja kui toru elektroodidele rakendatakse suurt potentsiaalide erinevust, muudetakse gaasiaatomid positiivseteks ja negatiivseteks ioonideks. Positiivsed liiguvad negatiivse elektroodi (katoodi) poole ja sellele kukkudes löövad sealt elektronid välja ning need omakorda liiguvad positiivse elektroodi (anoodi) poole ning tekitavad seda pommitades röntgenfootonite voo. . Kaasaegses Coolidge’i välja töötatud röntgentorus (joonis 3) on elektronide allikaks kõrge temperatuurini kuumutatud volframkatood. Elektronid kiirendatakse suure kiiruseni anoodi (või anti-katoodi) ja katoodi vahelise suure potentsiaalide erinevuse tõttu. Kuna elektronid peavad jõudma anoodile ilma aatomitega kokku põrkamata, on vajalik väga suur vaakum, mis eeldab toru korralikku evakueerimist. See vähendab ka ülejäänud gaasiaatomite ioniseerumise tõenäosust ja sellest tulenevaid külgvoolusid.

Elektronid fokusseeritakse anoodile katoodi ümbritseva spetsiaalse kujuga elektroodi abil. Seda elektroodi nimetatakse teravustamiselektroodiks ja see moodustab koos katoodiga toru "elektroonilise prožektori". Elektronidega pommitav anood peab olema valmistatud tulekindlast materjalist, kuna suurem osa pommitavate elektronide kineetilisest energiast muundatakse soojuseks. Lisaks on soovitav, et anood oleks valmistatud suure aatomarvuga materjalist, sest Röntgenikiirgus suureneb koos aatomarvu suurenemisega. Kõige sagedamini valitakse anoodimaterjaliks volfram, mille aatomnumber on 74. Röntgentorude konstruktsioon võib olenevalt kasutustingimustest ja nõuetest erineda.
Röntgenkiirguse tuvastus
Kõik röntgenikiirguse tuvastamise meetodid põhinevad nende vastasmõjul ainega. Detektoreid võib olla kahte tüüpi: need, mis annavad pilti, ja need, mis mitte. Esimeste hulka kuuluvad röntgenfluorograafia ja fluoroskoopia seadmed, mille puhul röntgenkiirguse kiir läbib uuritavat objekti ja edastatav kiirgus tabab luminestsentsekraani või fotofilmi. Pilt ilmub tänu sellele, et uuritava objekti erinevad osad neelavad kiirgust erinevalt – olenevalt aine paksusest ja koostisest. Fluorestseeruva ekraaniga detektorites muundatakse röntgenikiirgus vahetult jälgitavaks pildiks, radiograafias aga salvestatakse see tundlikule emulsioonile ja seda saab jälgida alles pärast filmi ilmutamist. Teist tüüpi detektorid hõlmavad väga erinevaid seadmeid, milles röntgenkiirguse energia muundatakse elektrilisteks signaalideks, mis iseloomustavad kiirguse suhtelist intensiivsust. Nende hulka kuuluvad ionisatsioonikambrid, Geigeri loendurid, proportsionaalsed loendurid, stsintillatsiooniloendurid ja mõned spetsiaalsed kaadmiumsulfiidi ja seleniidi detektorid. Praegu võib kõige tõhusamateks detektoriteks pidada stsintillatsiooniloendureid, mis töötavad hästi laias energiavahemikus.
Vaata ka OSAKESTE ANDURID. Detektor valitakse ülesande tingimusi arvestades. Näiteks kui teil on vaja täpselt mõõta hajutatud röntgenkiirguse intensiivsust, kasutatakse loendureid, mis võimaldavad teil teha mõõtmisi protsendilise täpsusega. Kui teil on vaja registreerida palju hajuvaid kiiri, on soovitatav kasutada röntgenfilmi, kuigi sel juhul pole intensiivsust sama täpsusega võimalik määrata.
Röntgen- JA GAMMADEFEKTOSKOOPIA
Röntgenikiirguse üks levinumaid kasutusviise tööstuses on materjalide kvaliteedi kontroll ja vigade tuvastamine. Röntgenimeetod on mittepurustav, nii et katsetatavat materjali saab seejärel kasutada ettenähtud otstarbel, kui see vastab vajalikele nõuetele. Nii röntgen- kui ka gammavigade tuvastamine põhinevad röntgenkiirguse läbitungimisvõimel ja selle materjalides neeldumise omadustel. Läbitungimisvõime määrab röntgeni footonite energia, mis sõltub röntgentoru kiirenduspingest. Seetõttu vajavad paksud proovid ja raskmetallidest, näiteks kullast ja uraanist valmistatud proovid nende uurimiseks kõrgema pingega röntgenikiirgusallikat, õhukeste proovide puhul piisab madalama pingega allikast. Väga suurte valandite ja suurte valtstoodete gammavigade tuvastamiseks kasutatakse betatroneid ja lineaarseid kiirendeid, mis kiirendavad osakesi energiani 25 MeV või rohkem. Röntgenikiirguse neeldumine materjalis sõltub neelduja paksusest d ja neeldumistegurist m ning määratakse valemiga I = I0e-md, kus I on neeldurit läbiva kiirguse intensiivsus, I0 on langeva kiirguse intensiivsus ja e = 2,718 on naturaallogaritmide alus. Antud materjali puhul on röntgenkiirguse antud lainepikkusel (või energial) neeldumistegur konstantne. Kuid röntgenikiirgusallika kiirgus ei ole ühevärviline, vaid sisaldab lai valik lainepikkused, mille tulemusena sõltub neeldumine neelduja sama paksuse juures kiirguse lainepikkusest (sagedusest). Röntgenkiirgust kasutatakse laialdaselt kõigis metallivormimisega seotud tööstusharudes. Seda kasutatakse ka suurtükiväe tünnide, toiduainete, plastide testimiseks ning elektroonikatehnoloogia keerukate seadmete ja süsteemide testimiseks. (Sarnasel eesmärgil kasutatakse neutronograafiat, mis kasutab röntgenikiirte asemel neutronkiirte.) Röntgenikiirgust kasutatakse ka muudel eesmärkidel, näiteks maalide autentsuse kindlakstegemiseks või täiendavate värvikihtide tuvastamiseks aluskihi peal. .
Röntgenkiirte DIFRAKTSIOON
Röntgendifraktsioon annab olulist teavet tahked ained - nende aatomistruktuur ja kristallide kuju, samuti vedelike, amorfsete tahkete ainete ja suurte molekulide kohta. Difraktsioonimeetodit kasutatakse ka aatomitevaheliste kauguste täpseks (veaga alla 10-5) määramiseks, pingete ja defektide tuvastamiseks ning monokristallide orientatsiooni määramiseks. Difraktsioonimustri abil saate tuvastada tundmatuid materjale, samuti tuvastada lisandite olemasolu proovis ja tuvastada need. Röntgendifraktsioonimeetodi tähtsust kaasaegse füüsika edenemisel on vaevalt võimalik ülehinnata, kuna kaasaegne arusaam aine omadustest põhineb lõppkokkuvõttes andmetel aatomite paigutuse kohta erinevates keemilistes ühendites, nendevaheliste sidemete olemuse kohta. ja struktuursed defektid. Peamine vahend selle teabe saamiseks on röntgendifraktsiooni meetod. Rönton kriitilise tähtsusega keeruliste suurte molekulide, näiteks desoksüribonukleiinhappe (DNA) molekulide, elusorganismide geneetilise materjali struktuuride määramisel. Vahetult pärast röntgenikiirguse avastamist keskendus teaduslik ja meditsiiniline huvi nii selle kiirguse võimele tungida kehadesse kui ka selle olemusele. Röntgenkiirguse difraktsioonikatsed pilude ja difraktsioonvõrede abil näitasid, et see kuulub elektromagnetkiirguse hulka ja selle lainepikkus on suurusjärgus 10-8-10-9 cm. Juba varem arvasid teadlased, eriti W. Barlow, et looduslike kristallide korrapärane ja sümmeetriline kuju on tingitud kristalli moodustavate aatomite korrastatud paigutusest. Mõnel juhul suutis Barlow kristallstruktuuri õigesti ennustada. Prognoositud aatomitevaheliste kauguste väärtus oli 10-8 cm Asjaolu, et aatomitevahelised kaugused osutusid suurusjärgusseteks röntgenikiirguse lainepikkuste suurusjärgus, võimaldas põhimõtteliselt jälgida nende difraktsiooni. Tulemuseks oli füüsika ajaloo ühe olulisema katse kavandamine. M. Laue korraldas selle idee eksperimentaalse testimise, mille viisid läbi tema kolleegid W. Friedrich ja P. Knipping. 1912. aastal avaldasid nad kolm oma tööd röntgendifraktsiooni tulemuste kohta. Röntgendifraktsiooni põhimõtted. Röntgendifraktsiooni nähtuse mõistmiseks peame käsitlema järjekorras: esiteks röntgenkiirguse spektrit, teiseks kristallstruktuuri olemust ja kolmandaks difraktsiooni nähtust ennast. Nagu eespool mainitud, koosneb iseloomulik röntgenkiirgus mitmest spektrijoontest, millel on kõrge monokromaatsus, mille määrab anoodimaterjal. Filtrite abil saate esile tõsta kõige intensiivsemad. Seetõttu on anoodimaterjali sobiva valikuga võimalik saada väga täpselt määratletud lainepikkusega peaaegu monokromaatilise kiirguse allikas. Iseloomulikud kiirguse lainepikkused jäävad tavaliselt vahemikku 2,285 kroomi puhul kuni 0,558 hõbeda puhul (erinevate elementide väärtused on teada kuue märgilise numbrini). Anoodile langevate elektronide aeglustumise tõttu kattub iseloomulik spekter palju väiksema intensiivsusega pideva "valge" spektriga. Seega võib igalt anoodilt saada kahte tüüpi kiirgust: karakteristlikku ja bremsstrahlung-kiirgust, millest igaüks mängib omal moel olulist rolli. Aatomid kristallstruktuuris on paigutatud korrapärase perioodilisusega, moodustades identsete rakkude jada - ruumilise võre. Mõned võred (näiteks enamiku tavaliste metallide jaoks) on üsna lihtsad, samas kui teised (näiteks valgu molekulide jaoks) on üsna keerulised. Kristallistruktuurile on iseloomulik: kui liikuda ühe raku teatud punktist naaberraku vastavasse punkti, siis ilmneb täpselt sama aatomikeskkond. Ja kui teatud aatom asub ühes rakus ühes või teises punktis, siis asub sama aatom samaväärses punktis mis tahes naaberrakus. See põhimõte kehtib rangelt täiusliku, ideaalis korrastatud kristalli puhul. Paljud kristallid (näiteks metalli tahked lahused) on aga ühel või teisel määral korrastamata, s.t. kristallograafiliselt samaväärsed saidid võivad olla hõivatud erinevate aatomitega. Nendel juhtudel ei määrata iga aatomi asukohta, vaid ainult aatomi asukohta, mis on "statistiliselt keskmistatud" suure hulga osakeste (või rakkude) kohta. Difraktsiooni nähtust käsitletakse artiklis OPTIKAS ja lugeja võib enne edasist jätkamist sellele artiklile viidata. See näitab, et kui lained (näiteks heli, valgus, röntgenikiirgus) läbivad väikese pilu või augu, siis viimast võib pidada sekundaarseks lainete allikaks ja pilu või augu kujutis koosneb vahelduvast valgusest. ja tumedad triibud. Edasi, kui esineb perioodiline aukude või pilude struktuur, siis erinevatest aukudest tulevate kiirte võimendumise ja nõrgenemise tulemusena tekib selge difraktsioonimuster. Röntgendifraktsioon on kollektiivne hajumisnähtus, milles aukude ja hajumiskeskuste rolli mängivad perioodiliselt paiknevad kristallstruktuuri aatomid. Nende kujutiste vastastikune täiustamine teatud nurkade all tekitab difraktsioonimustri, mis on sarnane sellega, mis tekiks valguse difraktsiooni korral kolmemõõtmelisel difraktsioonivõrel. Hajumine toimub langevate röntgenikiirte ja kristallis olevate elektronide koostoime tõttu. Kuna röntgenkiirte lainepikkus on samas suurusjärgus aatomi suurusega, on hajuvate röntgenikiirte lainepikkus sama, mis langeva röntgenikiirte lainepikkus. See protsess on elektronide sundvõnkumise tulemus langeva röntgenkiirguse mõjul. Mõelge nüüd aatomile, millel on seotud elektronide pilv (tuuma ümbritsev), mida röntgenikiirgus tabab. Kõigis suundades olevad elektronid hajutavad samaaegselt langevat kiirgust ja kiirgavad oma sama lainepikkusega, kuigi erineva intensiivsusega röntgenkiirgust. Hajutatud kiirguse intensiivsus on seotud elemendi aatomnumbriga, sest aatomarv on võrdne orbiidi elektronide arvuga, mis võivad hajumises osaleda. (Seda intensiivsuse sõltuvust hajuva elemendi aatomarvust ja intensiivsuse mõõtmise suunast iseloomustab aatomhajumisfaktor, mis mängib kristallide struktuuri analüüsimisel äärmiselt olulist rolli.) Olgu valige kristallstruktuuris lineaarne aatomite ahel, mis asuvad üksteisest samal kaugusel, ja arvestage nende difraktsioonimustriga. Juba on märgitud, et röntgenikiirguse spekter koosneb pidevast osast ("kontiinum") ja intensiivsemate joonte komplektist, mis on iseloomulikud anoodimaterjaliks olevale elemendile. Oletame, et filtreerisime pideva spektri ja saime peaaegu monokromaatilise röntgenikiire, mis oli suunatud meie lineaarsele aatomiahelale. Amplifikatsiooni (võimendava interferentsi) tingimus on täidetud, kui naaberaatomite poolt hajutatud lainete liikumisteede erinevus on lainepikkuse kordne. Kui kiir langeb intervalliga a (periood) eraldatud aatomirea suhtes nurga a0 all, siis difraktsiooninurga a jaoks kirjutatakse võimendusele vastav teeerinevus a(cos a - cosa0) = hl, kus l on lainepikkus ja h täisarv (joonised 4 ja 5).

Selle lähenemisviisi laiendamiseks kolmemõõtmelisele kristallile on vaja ainult valida aatomite read piki kahte teist kristalli suunda ja lahendada nii saadud kolm võrrandit kolme kristalli telje jaoks perioodidega a, b ja c. Ülejäänud kahel võrrandil on vorm

Need on kolm põhilist Laue võrrandit röntgendifraktsiooni jaoks, kusjuures numbrid h, k ja c on difraktsioonitasandi Milleri indeksid.
Vaata ka KRISTALLID JA KRISTALLOGRAAFIA. Arvestades mis tahes Laue võrrandit, näiteks esimest, võite märgata, et kuna a, a0, l on konstandid ja h = 0, 1, 2, ..., saab selle lahendit esitada koonuste hulgana ühistelg a (joon. 5). Sama kehtib ka suundade b ja c kohta. Üldise kolmemõõtmelise hajumise (difraktsiooni) puhul peab kolmel Laue võrrandil olema ühine lahend, s.t. kolm difraktsioonikoonust, mis asuvad kummalgi teljel, peavad ristuma; üldine ristumisjoon on näidatud joonisel fig. 6. Võrrandite ühislahendus viib Braggi-Wolfe'i seaduseni:

l = 2(d/n)sinq, kus d on tasandite vaheline kaugus indeksiga h, k ja c (periood), n = 1, 2, ... on täisarvud (difraktsioonijärk) ja q on nurk moodustasid langeva kiire (nagu ka difraktsiooni) kristallitasandiga, milles difraktsioon toimub. Analüüsides Bragg-Wolfe'i seaduse võrrandit monokromaatilise röntgenkiire teel asuva monokristalli jaoks, võime järeldada, et difraktsiooni pole lihtne jälgida, kuna suurused l ja q on fikseeritud ja sinq DIFRAKTSIOONALÜÜSI MEETODID
Laue meetod. Laue meetod kasutab pidevat "valget" röntgenkiirguse spektrit, mis on suunatud statsionaarsele monokristallile. Perioodi d konkreetse väärtuse jaoks valitakse kogu spektrist automaatselt Bragg-Wulfi tingimusele vastav lainepikkus. Sel viisil saadud Lauegrammid võimaldavad hinnata hajuvate kiirte suundi ja sellest tulenevalt ka kristalli tasandite orientatsioone, mis võimaldab teha olulisi järeldusi ka kristalli sümmeetria, orientatsiooni ja olemasolu kohta. selle puudustest. Sel juhul läheb aga kaotsi info ruumiperioodi d kohta. Joonisel fig. 7 on Lauegrami näide. Röntgenfilm asus kristalli sellel küljel, mis vastas sellele küljele, millele langes allikast lähtuv röntgenikiir.

Debye-Scherreri meetod (polükristalliliste proovide jaoks). Erinevalt eelmisest meetodist kasutatakse siin monokromaatilist kiirgust (l = const) ja nurka q muudetakse. See saavutatakse polükristallilise proovi abil, mis koosneb paljudest juhusliku orientatsiooniga väikestest kristalliididest, mille hulgas on mõned, mis vastavad Bragg-Wulfi tingimusele. Difraktsiooniga kiired moodustavad koonuseid, mille telg on suunatud piki röntgenikiirt. Pildistamiseks kasutatakse tavaliselt silindrilises kassetis olevat kitsast röntgenkiirte riba ja röntgenikiirgus jaotatakse piki läbimõõtu filmis olevate aukude kaudu. Sel viisil saadud Debyegram (joonis 8) sisaldab täpset teavet perioodi d kohta, s.o. kristalli struktuuri kohta, kuid ei anna teavet, mida Lauegram sisaldab. Seetõttu täiendavad mõlemad meetodid üksteist. Vaatleme mõnda Debye-Scherreri meetodi rakendust.

Keemiliste elementide ja ühendite identifitseerimine. Kasutades Debye diagrammilt määratud nurka q, on võimalik arvutada antud elemendile või ühendusele iseloomulik tasanditevaheline kaugus d. Praegu on koostatud palju d väärtuste tabeleid, mis võimaldavad tuvastada mitte ainult konkreetse keemilise elemendi või ühendi, vaid ka sama aine erinevaid faasiolekuid, mis pole alati keemilise analüüsi abil võimalik. Samuti on võimalik suure täpsusega määrata teise komponendi sisaldust asendussulamites perioodi d sõltuvusest kontsentratsioonist.
Stressianalüüs. Kristallides erinevate suundade tasanditevaheliste kauguste mõõdetud erinevuse põhjal on võimalik materjali elastsusmoodulit teades suure täpsusega arvutada selles väikseid pingeid.
Kristallide eelisorientatsiooni uuringud. Kui polükristallilise proovi väikesed kristallid ei ole täiesti juhuslikult orienteeritud, on Debye mustri rõngad erineva intensiivsusega. Selgelt väljendatud eelisorientatsiooni olemasolul koonduvad intensiivsuse maksimumid pildil üksikutesse kohtadesse, mis muutuvad sarnaseks üksikkristalli kujutisega. Näiteks sügavkülmvaltsimise ajal omandab metallleht tekstuuri - kristalliitide väljendunud orientatsiooni. Debye diagrammi abil saab hinnata materjali külmtöötluse olemust.
Terade suuruste uurimine. Kui polükristalli tera suurus on üle 10-3 cm, koosnevad Debye diagrammi jooned üksikutest täppidest, kuna sel juhul ei piisa kristalliitide arvust kogu nurkade q katmiseks. Kui kristalliidi suurus on alla 10-5 cm, muutuvad difraktsioonijooned laiemaks. Nende laius on pöördvõrdeline kristalliitide suurusega. Laienemine toimub samal põhjusel, et kui pilude arv väheneb, väheneb difraktsioonvõre eraldusvõime. Röntgenikiirgus võimaldab määrata tera suurusi vahemikus 10-7-10-6 cm.
Üksikute kristallide meetodid. Selleks, et difraktsioon kristallil annaks teavet mitte ainult ruumilise perioodi, vaid ka iga difraktsioonitasandite komplekti orientatsiooni kohta, kasutatakse pöörlevaid monokristalli meetodeid. Kristallile langeb monokromaatiline röntgenkiir. Kristall pöörleb ümber peatelje, mille puhul Laue võrrandid on täidetud. Sel juhul muutub nurk q, mis sisaldub Braggi-Wulfi valemis. Difraktsioonimaksimumid asuvad Laue difraktsioonikoonuste ristumiskohas kile silindrilise pinnaga (joonis 9). Tulemuseks on joonisel fig 1 näidatud tüüpi difraktsioonimuster. 10. Erinevate difraktsioonijärjestuste kattumise tõttu ühes punktis on aga võimalikud tüsistused. Meetodit saab oluliselt täiustada, kui samaaegselt kristalli pöörlemisega kilet teatud viisil liigutada.

Vedelike ja gaaside uurimine. Teatavasti ei ole vedelikel, gaasidel ja amorfsetel kehadel õiget kristallilist struktuuri. Kuid ka siin on molekulides aatomite vahel keemiline side, mille tõttu jääb nendevaheline kaugus peaaegu konstantseks, kuigi molekulid ise on ruumis juhuslikult orienteeritud. Sellised materjalid tekitavad ka suhteliselt väikese arvu hägusate maksimumidega difraktsioonimustri. Sellise pildi töötlemine kaasaegsed meetodid võimaldab saada teavet isegi selliste mittekristalliliste materjalide struktuuri kohta.
SPEKTROKEEMILINE RÖNTGANALÜÜS
Vaid paar aastat pärast röntgenikiirte avastamist avastas Charles Barkla (1877–1944), et kui aine puutub kokku suure energiaga röntgenikiirgusega, tekivad uuritavale elemendile iseloomulikud sekundaarsed fluorestseeruvad röntgenikiirgused. Varsti pärast seda mõõtis G. Moseley katsete seerias erinevate elementide elektronpommitamisel saadud primaarse iseloomuliku röntgenkiirguse lainepikkusi ning tuletas seose lainepikkuse ja aatomarvu vahel. Need katsed, nagu ka Braggi röntgenspektromeetri leiutamine, panid aluse spektrokeemilisele röntgenanalüüsile. Röntgenikiirguse potentsiaal keemiliseks analüüsiks sai kohe aru. Spektrograafid loodi fotoplaadile salvestamisega, milles uuritav proov toimis röntgentoru anoodina. Kahjuks osutus see tehnika väga töömahukaks ja seetõttu kasutati seda ainult siis, kui tavapärased keemilise analüüsi meetodid ei olnud kasutatavad. Analüütilise röntgenspektroskoopia valdkonna uuenduslike uuringute silmapaistev näide oli G. Hevesy ja D. Costeri uue elemendi hafniumi avastamine 1923. aastal. Võimsate röntgenitorude väljatöötamine radiograafia jaoks ja tundlike detektorite väljatöötamine radiokeemiliste mõõtmiste jaoks Teise maailmasõja ajal oli suuresti vastutav röntgenspektrograafia kiire kasvu eest järgnevatel aastatel. See meetod sai laialdane kasutamine analüüsi kiiruse, mugavuse, mittepurustava iseloomu ja täieliku või osalise automatiseerimise võimaluse tõttu. Seda saab kasutada kõigi elementide kvantitatiivse ja kvalitatiivse analüüsi ülesannetes, mille aatomnumber on suurem kui 11 (naatrium). Kuigi tavaliselt kasutatakse proovi kriitiliste komponentide (0,1–100%) määramiseks röntgenspektrokeemilist analüüsi, on see mõnel juhul kasulik 0,005% või isegi väiksema kontsentratsiooni korral.
Röntgenikiirguse spektromeeter. Kaasaegne röntgenspektromeeter koosneb kolmest põhisüsteemist (joon. 11): ergastussüsteem, s.o. volframist või muust tulekindlast materjalist anoodi ja toiteallikaga röntgentoru; analüüsisüsteemid, s.o. kahe mitme piluga kollimaatoriga analüsaatori kristall, samuti spektrogoniomeeter täpseks reguleerimiseks; ja salvestussüsteemid Geigeri loenduri või proportsionaal- või stsintillatsiooniloenduriga, samuti alaldi, võimendi, skaleerimisseadmed ja salvesti või muu salvestusseade.

Röntgenikiirguse fluorestsentsanalüüs. Analüüsitud proov asub põneva röntgenikiirguse teel. Uuritav prooviala on tavaliselt isoleeritud vajaliku läbimõõduga auguga maskiga ja kiirgus läbib paralleelse kiire moodustava kollimaatori. Analüsaatori kristalli taga tekitab pilukollimaator detektori jaoks hajutatud kiirgust. Tavaliselt on maksimaalne nurk q piiratud 80-85°-ga, nii et ainult röntgenkiirgus, mille lainepikkus l on seotud tasanditevahelise kaugusega d ebavõrdsusega l, saab analüsaatori kristallil difraktsiooni minna. Röntgeni mikroanalüüs.Ülalkirjeldatud lamekristall-analüsaatori spektromeetrit saab kohandada mikroanalüüsi jaoks. See saavutatakse kas primaarse röntgenkiirte või proovi kiiratava sekundaarse kiirte kitsendamise teel. Proovi efektiivse suuruse või kiirgusapertuuri vähendamine viib aga registreeritud difrakteerunud kiirguse intensiivsuse vähenemiseni. Seda meetodit saab täiustada, kasutades kõvera kristalliga spektromeetrit, mis võimaldab registreerida lahkneva kiirguse koonust, mitte ainult kollimaatori teljega paralleelset kiirgust. Sellise spektromeetri abil saab tuvastada osakesi, mis on väiksemad kui 25 mikronit. Veelgi suurem analüüsitava proovi suuruse vähendamine saavutatakse R. Kasteni leiutatud elektronsond-röntgeni mikroanalüsaatoriga. Siin ergastab kõrgelt fokuseeritud elektronkiir proovile iseloomulikku röntgenikiirgust, mida seejärel analüüsitakse kõvera kristallspektromeetriga. Sellist seadet kasutades on võimalik tuvastada 1 mikronise läbimõõduga proovis aine koguseid suurusjärgus 10-14 g. Samuti on välja töötatud proovi elektronkiire skaneerimisega installatsioonid, mille abil on võimalik saada kahemõõtmeline pilt jaotusest üle selle elemendi proovi, mille iseloomulikule kiirgusele spektromeeter on häälestatud.
MEDITSIINILINE RÖNTGENDIAGNOSTIKA
Tehnoloogia areng röntgenuuringud võimaldas meil oluliselt vähendada säritusaega ja parandada piltide kvaliteeti, võimaldades uurida isegi pehmeid kudesid.
Fluorograafia. See diagnostikameetod hõlmab varjukujutise pildistamist ülekandeekraanilt. Patsient asetatakse röntgenikiirguse allika ja lameda fosforekraani (tavaliselt tseesiumjodiidi) vahele, mis röntgenikiirgusega kokkupuutel helendab. Erineva tihedusega bioloogilised koed tekitavad erineva intensiivsusega röntgenikiirguse varje. Radioloog uurib fluorestsentsekraanil olevat varjupilti ja paneb diagnoosi. Varem tugines radioloog piltide analüüsimisel nägemisele. Nüüd on olemas mitmesuguseid süsteeme, mis täiustavad pilti, kuvavad seda teleriekraanil või salvestavad andmeid arvuti mällu.
Radiograafia. Röntgenpiltide salvestamist otse fotofilmile nimetatakse radiograafiaks. Sel juhul asub uuritav elund röntgeniallika ja fotofilmi vahel, mis salvestab informatsiooni elundi seisundi kohta antud ajahetkel. Korduv radiograafia võimaldab hinnata selle edasist arengut. Radiograafia võimaldab väga täpselt uurida peamiselt kaltsiumist koosneva ja röntgenkiirgusele läbipaistmatu luukoe terviklikkust, samuti lihaskoe rebendeid. Tema abiga analüüsitakse paremini kui stetoskoobi või kuulamise korral kopsude seisukorda põletiku, tuberkuloosi või vedeliku olemasolu korral. Röntgenikiirgust kasutatakse südame suuruse ja kuju, samuti selle muutuste dünaamika määramiseks südamehaigusi põdevatel patsientidel.
Kontrastained. Röntgenkiirgusele läbipaistvad kehaosad ja üksikute elundite õõnsused muutuvad nähtavaks, kui need on täidetud kontrastainega, mis on kehale kahjutu, kuid võimaldab kuju visualiseerida siseorganid ja kontrollige nende toimimist. Patsient võtab suukaudselt kontrastaineid (nt baariumisoolasid uuringu ajal seedetrakti) või neid manustatakse intravenoosselt (nt joodi sisaldavad lahused neerude ja kuseteede uurimisel). Viimastel aastatel on need meetodid aga asendunud radioaktiivsete aatomite ja ultraheli kasutamisel põhinevate diagnostiliste meetoditega.
CT skaneerimine. 1970. aastatel töötati välja uus meetod Röntgendiagnostika, mis põhineb kogu kehal või selle osadel. Õhukeste kihtide ("lõikude") pilte töötleb arvuti ja lõplik pilt kuvatakse monitori ekraanil. Seda meetodit nimetatakse kompuuterröntgentomograafiaks. Seda kasutatakse laialdaselt kaasaegses meditsiinis infiltraatide, kasvajate ja muude ajuhäirete diagnoosimiseks, samuti kehasiseste pehmete kudede haiguste diagnoosimiseks. See tehnika ei nõua võõraste kontrastainete sisseviimist ning on seetõttu kiirem ja tõhusam kui traditsioonilised tehnikad.
Röntgenikiirguse BIOLOOGILINE MÕJU
Röntgenikiirguse kahjulikud bioloogilised mõjud avastati varsti pärast selle avastamist Röntgeni poolt. Selgus, et uus kiirgus võib tekitada midagi tugeva päikesepõletuse (erüteemi) taolist, millega kaasneb aga sügavam ja püsivam nahakahjustus. Ilmunud haavandid muutusid sageli vähiks. Paljudel juhtudel tuli amputeerida sõrmed või käed. Oli ka surmajuhtumeid. On leitud, et nahakahjustusi saab vältida kokkupuuteaja ja doosi vähendamise, varjestuse (nt plii) ja kaugjuhtimispultide kasutamisega. Kuid järk-järgult ilmnesid röntgenkiirguse muud pikaajalisemad tagajärjed, mida seejärel kinnitati ja uuriti katseloomadel. Röntgenikiirguse, aga ka muu ioniseeriva kiirguse (näiteks radioaktiivsete materjalide kiirgava gammakiirguse) mõjud hõlmavad: 1) ajutisi muutusi vere koostises pärast suhteliselt väikest liigset kokkupuudet; 2) pöördumatud muutused vere koostises ( hemolüütiline aneemia) pärast pikaajalist liigset kokkupuudet; 3) haigestumus vähki (sh leukeemiasse); 4) kiirem vananemine ja varasem surm; 5) katarakti esinemine. Lisaks on bioloogilised katsed hiirte, küülikute ja äädikakärbestega näidanud, et mutatsioonikiiruse suurenemise tõttu põhjustavad isegi väikesed doosid suurte populatsioonide süstemaatilise kiiritamise korral kahjulikke geneetilisi mõjusid. Enamik geneetikuid tunnistab nende andmete rakendatavust inimkehale. Mis puudutab röntgenkiirguse bioloogilist mõju inimkehale, siis selle määrab kiirgusdoosi tase ja ka see, milline konkreetne kehaorgan kiiritati. Näiteks verehaigused on põhjustatud kiirgusest hematopoeetilised elundid, peamiselt luuüdi ja geneetilised tagajärjed – suguelundite kiiritamine, mis võib samuti viia steriilsuseni. Teadmiste kogunemine röntgenikiirguse mõju kohta inimkehale on viinud riiklike ja rahvusvaheliste lubatud kiirgusdooside standardite väljatöötamiseni, mis on avaldatud erinevates teatmeväljaannetes. Lisaks röntgenkiirgusele, mida inimene sihipäraselt kasutab, on ka nn hajutatud, kõrvalkiirgus, mis tekib erinevatel põhjustel nt plii kaitseekraani ebatäiuslikkusest tingitud hajumise tõttu, mis seda kiirgust täielikult ei neela. Lisaks tekitavad paljud elektriseadmed, mis ei ole ette nähtud röntgenikiirgust tekitama, selle kõrvalproduktina. Selliste seadmete hulka kuuluvad elektronmikroskoobid, kõrgepinge alaldi lambid (kenotronid), aga ka vananenud värvitelerite pilditorud. Kaasaegsete värviliste torude tootmine on paljudes riikides nüüd valitsuse kontrolli all.
Röntgenikiirguse OHUD
Röntgenkiirguse liigid ja ohtlikkuse määr inimestele oleneb kiirgusega kokkupuutuvate inimeste arvust.
Röntgeniseadmetega töötavad spetsialistid. Sellesse kategooriasse kuuluvad radioloogid, hambaarstid, samuti teadus- ja tehnikatöötajad ning personal, kes hooldab ja kasutab röntgeniseadmeid. Võetakse tõhusaid meetmeid, et vähendada kiirgustaset, millega nad peavad toime tulema.
Patsiendid. Ranged kriteeriumid puuduvad ja patsiendile ravi ajal saadava kiirguse ohutu taseme määravad raviarstid. Arstidel ei soovitata patsiente asjatult röntgenikiirgusega kokku puutuda. Eriline ettevaatus tuleb jälgida rasedate ja laste uurimisel. Sel juhul võetakse erimeetmeid.
Kontrollimeetodid. Siin on silmas peetud kolme aspekti:
1) piisava varustuse olemasolu, 2) ohutusnõuete täitmise jälgimist, 3) seadmete õiget kasutamist. Röntgeniuuringutel tohib kiiritada ainult soovitud piirkonda, olgu siis hamba- või kopsuuuringuks. Pange tähele, et kohe pärast röntgeniaparaadi väljalülitamist kaovad nii esmane kui ka sekundaarne kiirgus; Samuti puudub jääkkiirgus, mida ei tea alati ka need, kes on sellega oma töö kaudu otseselt seotud.
Vaata ka
Aatomi STRUKTUUR;