X선의 발견과 응용의 역사. 강의 X선 방사선 X선파

X선은 약 80~10-5nm의 파장을 갖는 전자기파입니다. 가장 긴 파장의 X선 복사는 단파장 자외선, 단파장 - 장파장 γ선으로 덮여 있습니다. 여기 방법에 따라 X선 방사선은 bremsstrahlung과 특성으로 나뉩니다.

31.1. X선관 장치. Bremsstrahlung X-RAY

엑스레이의 가장 일반적인 소스는 2전극 진공 장치인 엑스레이 튜브입니다(그림 31.1). 가열된 음극 1 전자를 방출 4. 양극 2는 종종 양극극이라고도 하며 결과 X선을 유도하기 위해 경사진 표면을 가지고 있습니다. 3 튜브의 축에 대해 비스듬히. 양극은 전자의 충격에 의해 발생하는 열을 제거하기 위해 열전도율이 높은 물질로 만들어집니다. 양극 표면은 텅스텐과 같이 주기율표에서 원자번호가 큰 내화물로 만들어집니다. 어떤 경우에는 양극이 물이나 기름으로 특별히 냉각됩니다.

진단용 튜브의 경우 X선 소스의 정확한 위치가 중요하며 이는 양극의 한 곳에 전자를 집중시켜 얻을 수 있습니다. 따라서 건설적으로 두 가지 반대 작업을 고려해야 합니다. 한편으로는 전자가 양극의 한 위치에 떨어져야 하고 다른 한편으로는 과열을 방지하기 위해 전자를 양극의 다른 부분에 분배하는 것이 바람직합니다. 양극. 흥미로운 기술 솔루션 중 하나는 회전하는 양극이 있는 X선관입니다(그림 31.2).

원자핵의 정전기장과 양극극 물질의 원자 전자에 의한 전자(또는 다른 하전 입자)의 감속의 결과로서, bremsstrahlung 방사선.

그 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 움직이는 전하는 자기장과 관련이 있으며, 자기장의 유도는 전자의 속도에 따라 달라집니다. 제동 시 자기

유도, Maxwell의 이론에 따라 전자기파가 나타납니다.

전자가 감속할 때 에너지의 일부만 X선 광자를 생성하는 데 사용되고 다른 일부는 양극을 가열하는 데 사용됩니다. 이들 부분 사이의 비율은 랜덤하기 때문에 많은 수의 전자가 감속할 때 X선 방사선의 연속 스펙트럼이 형성됩니다. 이와 관련하여 bremsstrahlung은 연속이라고도합니다. 무화과에. 31.3은 X선 관의 다른 전압에서 파장 λ(스펙트럼)에 대한 X선 플럭스의 의존성을 보여줍니다. 유 1< U 2 < U 3 .

각 스펙트럼에서 가장 짧은 파장의 bremsstrahlung λ ηίη 가속장에서 전자가 획득한 에너지가 광자의 에너지로 완전히 변환될 때 발생합니다.

(31.2)에 기초하여 플랑크 상수의 실험적 결정을 위한 가장 정확한 방법 중 하나가 개발되었습니다.

단파장 X선은 일반적으로 장파장 X선보다 투과력이 더 크며 이를 X선이라고 합니다. 딱딱한,그리고 장파 부드러운.

X선관의 전압을 높이면 방사선의 스펙트럼 구성이 그림 1에서 볼 수 있듯이 변경됩니다. 31.3 및 공식 (31.3), 강성을 증가시킵니다.

음극 필라멘트 온도가 증가하면 전자 방출과 튜브의 전류가 증가합니다. 이것은 매초 방출되는 X선 광자의 수를 증가시킬 것입니다. 스펙트럼 구성은 변경되지 않습니다. 무화과에. 31.4는 전압은 같지만 음극 필라멘트 전류가 다른 X선 파장 스펙트럼을 보여줍니다. / n1< / н2 .

X선 플럭스는 다음 공식으로 계산됩니다.

어디 유그리고 나- X선관의 전압과 전류; 지- 애노드 물질 원자의 일련 번호; 케이- 비례 계수. 동시에 서로 다른 양극에서 얻은 스펙트럼 유 I H는 그림에 나와 있습니다. 31.5.

31.2. 특징적인 X선 방사선. 원자 X선 스펙트럼

X선관의 전압을 높이면 다음과 같은 선이 나타납니다.

특징적인 엑스레이(그림 31.6). 가속 된 전자가 원자 깊숙이 침투하여 내부 층에서 전자를 녹아웃한다는 사실 때문에 발생합니다. 상위 레벨의 전자는 자유 장소로 이동하여(그림 31.7) 결과적으로 특성 복사의 광자가 방출됩니다. 그림에서 알 수 있듯이 특성 X선 방사선은 일련의 케이, 엘, 엠등, 그 이름은 전자 레이어를 지정하는 역할을 합니다. K 시리즈의 방출은 상위 레이어의 공간을 확보하기 때문에 다른 시리즈의 라인이 동시에 방출됩니다.

광학 스펙트럼과 대조적으로 다른 원자의 특징적인 x-선 스펙트럼은 같은 유형입니다. 무화과에. 31.8은 다양한 요소의 스펙트럼을 보여줍니다. 이러한 스펙트럼의 균일성은 원소의 원자 번호가 증가함에 따라 핵의 힘 효과가 증가하기 때문에 서로 다른 원자의 내부 층이 동일하고 에너지적으로만 다르다는 사실에 기인합니다. 이 상황은 핵 전하가 증가함에 따라 특성 스펙트럼이 더 높은 주파수로 이동한다는 사실로 이어집니다. 이 패턴은 Fig. 31.8 및 로 알려진 모즐리의 법칙:

어디 V-스펙트럼 라인 주파수; 지-발광 소자의 원자 번호; 하지만그리고 에- 영구적 인.

광학 스펙트럼과 X선 스펙트럼에는 또 다른 차이점이 있습니다.

원자의 특성 X선 스펙트럼은 이 원자가 포함된 화합물에 의존하지 않습니다. 예를 들어, 산소 원자의 X선 스펙트럼은 O, O 2 및 H 2 O에 대해 동일하지만 이러한 화합물의 광학 스펙트럼은 상당히 다릅니다. 원자의 X선 스펙트럼의 이러한 특징은 이름의 기초가 되었습니다. 특성.

특성 복사는 원인에 관계없이 원자 내부 층에 여유 공간이 있을 때 항상 발생합니다. 따라서 예를 들어 특성 방사선은 핵에 의해 내부 층에서 전자를 포획하는 것으로 구성된 방사성 붕괴 유형 중 하나를 동반합니다(32.1 참조).

31.3. X선 방사선과 물질의 상호작용

X선 방사선의 등록 및 사용과 생물학적 물체에 대한 영향은 X선 광자와 물질의 원자 및 분자 전자와 상호 작용하는 주요 과정에 의해 결정됩니다.

에너지 비율에 따라 hv광자 및 이온화 에너지 1A 및 세 가지 주요 프로세스가 있습니다.

일관된(고전적인) 산란

장파장 엑스선의 산란은 주로 파장의 변화 없이 발생하며 일관된.광자 에너지가 이온화 에너지보다 작은 경우 발생합니다. hv< A와.

이 경우 X선 광자와 원자의 에너지는 변하지 않기 때문에 간섭성 산란 자체는 생물학적 효과를 일으키지 않는다. 그러나 X선 방사선에 대한 보호를 만들 때 기본 빔의 방향을 변경할 가능성을 고려해야 합니다. 이러한 종류의 상호 작용은 X선 회절 분석에 중요합니다(24.7 참조).

비간섭 산란(Compton 효과)

1922년 A.Kh. 하드 X선의 산란을 관찰한 Compton은 입사빔에 비해 산란빔의 투과력이 감소하는 것을 발견했습니다. 이는 산란된 X선의 파장이 입사된 X선의 파장보다 크다는 것을 의미합니다. 파장의 변화에 ​​따른 엑스선의 산란을 일관성 없는님과 현상 그 자체 - 콤프턴 효과. X선 광자의 에너지가 이온화 에너지보다 큰 경우 발생합니다. hv > A 및.

이 현상은 원자와 상호 작용할 때 에너지가 hv광자는 에너지를 가진 새로운 산란 X선 광자를 생성하는 데 사용됩니다. hv",원자에서 전자를 분리하고(이온화 에너지 A u) 전자에 운동 에너지를 부여 전자:

hv \u003d hv " + A 및 + E k.(31.6)

1 여기서 이온화 에너지는 원자 또는 분자에서 내부 전자를 제거하는 데 필요한 에너지로 이해됩니다.

많은 경우에 hv>> A 및 Compton 효과가 자유 전자에서 발생하면 대략 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

hv = hv"+ E K .(31.7)

이 현상(그림 31.9)에서 2차 X선 복사(에너지 hv" 광자) 반동 전자가 나타납니다 (운동 에너지 전자전자). 그러면 원자나 분자는 이온이 됩니다.

광전 효과

광전 효과에서 X선 ​​방사선은 원자에 흡수되어 그 결과 전자가 날아가고 원자는 이온화(광이온화)됩니다.

위에서 논의한 세 가지 주요 상호 작용 프로세스는 1차적이며 후속 2차, 3차 등으로 이어집니다. 현상. 예를 들어 이온화된 원자는 특성 스펙트럼을 방출할 수 있고 여기된 원자는 가시광선(X선 발광)의 소스가 될 수 있습니다.

무화과에. 31.10은 X선 방사선이 물질에 들어갈 때 발생하는 가능한 과정의 도표입니다. X선 광자의 에너지가 분자 열 운동 에너지로 변환되기 전에 표시된 것과 유사한 수십 가지 프로세스가 발생할 수 있습니다. 결과적으로 물질의 분자 구성이 변경됩니다.

그림의 다이어그램으로 표시된 프로세스. 31.10, 물질에 대한 X선의 작용으로 관찰되는 현상의 기초가 됩니다. 그 중 일부를 나열해 보겠습니다.

X선 발광- 엑스레이 조사에서 여러 물질의 빛. 백금-시아노겐 바륨의 이러한 빛은 뢴트겐이 광선을 발견할 수 있게 해주었습니다. 이 현상은 X선을 육안으로 관찰할 목적으로 특수 발광 스크린을 만드는 데 사용되며 때로는 사진판에서 X선의 작용을 향상시키는 데 사용됩니다.

X선 방사선의 화학적 작용은 예를 들어 물에서 과산화수소의 형성으로 알려져 있습니다. 실질적으로 중요한 예는 그러한 광선을 감지할 수 있게 하는 사진판에 미치는 영향입니다.

이온화 효과는 X선의 영향으로 전기 전도도가 증가하여 나타납니다. 이 속성이 사용됩니다.

이러한 유형의 방사선의 영향을 정량화하기 위해 선량계측에서.

많은 과정의 결과로 기본 X선 빔은 법칙(29.3)에 따라 약해집니다. 다음과 같은 형식으로 작성해 봅시다.

나 = I0 이자형-/", (31.8)

어디 μ - 선형 감쇠 계수. 간섭성 산란 μ κ , 비간섭성 μ ΗΚ 및 광효과 μ 에 해당하는 3개의 항으로 구성된 것으로 나타낼 수 있습니다. 에프:

μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)

X선 복사의 강도는 이 흐름이 통과하는 물질의 원자 수에 비례하여 감쇠됩니다. 축을 따라 물질을 압축하면 엑스,예를 들어 비증가하여 시간 비밀도를 곱하면

31.4. 의학에서 X선 ​​방사선 적용의 물리적 기초

X선의 가장 중요한 의학적 응용 중 하나는 진단 목적을 위한 내부 장기의 투과 조명입니다. (X선 진단).

진단을 위해 약 60-120keV의 에너지를 가진 광자가 사용됩니다. 이 에너지에서 질량 소멸 계수는 주로 광전 효과에 의해 결정됩니다. 그 값은 경질 방사선의 큰 투과력을 나타내는 광자 에너지의 3승(λ 3에 비례)에 반비례하고 흡수 물질의 원자 번호의 3승에 비례합니다.

다른 조직에 의한 X선 방사선 흡수의 상당한 차이로 인해 인체 내부 장기의 이미지를 그림자 투영으로 볼 수 있습니다.

X선 진단은 두 가지 버전으로 사용됩니다. 형광투시 이미지는 X선 발광 화면에서 볼 수 있으며, 방사선 촬영 - 이미지는 필름에 고정됩니다.

연구 중인 기관과 주변 조직이 X선을 거의 동등하게 감쇠시키면 특수 조영제가 사용됩니다. 예를 들어, 위와 장을 부드러운 황산바륨 덩어리로 채우면 그림자 이미지를 볼 수 있습니다.

화면의 이미지 밝기와 필름의 노출 시간은 엑스레이의 강도에 따라 다릅니다. 진단에 사용하는 경우 강도가 높을 수 없으므로 바람직하지 않은 생물학적 결과를 일으키지 않습니다. 따라서 낮은 X선 강도에서 이미지를 향상시키는 많은 기술 장치가 있습니다. 이러한 장치의 예는 강화 튜브입니다(27.8 참조). 인구에 대한 대량 조사에서 대형 X선 발광 스크린의 이미지가 민감한 소형 필름에 기록되는 형광 촬영법이 널리 사용됩니다. 촬영할 때 조리개가 큰 렌즈를 사용하고 완성 된 사진을 특수 돋보기로 검사합니다.

방사선 촬영에 대한 흥미롭고 유망한 옵션은 엑스레이 단층 촬영, 및 "머신 버전" - CT 스캔.

이 질문을 생각해 봅시다.

일반 방사선 사진은 다양한 장기와 조직이 서로를 가리는 신체의 넓은 영역을 커버합니다. 주기적으로 X선관을 역위상으로 함께 움직이면(그림 31.11) 이것을 피할 수 있습니다. RT그리고 영화 FP개체에 상대적 에 대한연구. 몸체에는 X선에 불투명한 여러 내포물이 포함되어 있으며 그림에서 원으로 표시되어 있습니다. 보시다시피 엑스레이 튜브(1, 2 등) 통과

주기적 이동이 수행되는 중심인 물체의 동일한 지점을 절단하는 것 RT그리고 Fp.이 점, 더 정확하게는 작은 불투명한 내포물은 다크 서클로 표시됩니다. 그의 그림자 이미지는 FP,연속적으로 1위를 차지하며, 2 등. 신체의 나머지 내포물(뼈, 물개 등)은 FP엑스레이는 영구적으로 가려지지 않기 때문에 몇 가지 일반적인 배경이 있습니다. 스윙 중심의 위치를 ​​바꿈으로써 신체의 층별 X선 영상을 얻을 수 있다. 따라서 이름 - 단층 촬영(레이어 녹음).

얇은 X선 빔을 사용하여 스크리닝하는 것이 가능합니다(대신 FP),전리방사선의 반도체 검출기(32.5 참조)와 컴퓨터로 구성되어 단층촬영에서 그림자 X선 영상을 처리합니다. 이 최신 버전의 단층촬영(컴퓨터 또는 컴퓨터 X선 단층촬영)을 사용하면 음극선관의 화면이나 종이에 X선 흡수의 차이가 있는 2mm 미만의 세부 정보로 신체의 계층화된 이미지를 얻을 수 있습니다. 최대 0.1%. 이를 통해 예를 들어 뇌의 회백질과 백질을 구별하고 매우 작은 종양 형성을 볼 수 있습니다.

X선 복사는 고속으로 움직이는 전자가 물질과 상호 작용할 때 발생합니다. 전자가 물질의 원자와 충돌하면 빠르게 운동 에너지를 잃습니다. 이 경우 대부분이 열로 변환되고, 보통 1% 미만의 작은 부분이 X선 에너지로 변환됩니다. 이 에너지는 에너지가 있지만 정지 질량이 0인 광자라고 하는 입자인 양자의 형태로 방출됩니다. X선 광자는 에너지가 다르며 파장에 반비례합니다. X선을 얻는 기존의 방법을 사용하면 X선 스펙트럼이라고 하는 광범위한 파장을 얻을 수 있습니다. 스펙트럼에는 그림 1과 같이 뚜렷한 구성 요소가 포함되어 있습니다. 하나.

쌀. 하나. 기존 X-RAY 스펙트럼은 연속 스펙트럼(연속체)과 특성선(샤프 피크)으로 구성됩니다. Kia 선과 Kib 선은 가속된 전자와 내부 K 껍질의 전자의 상호 작용으로 인해 발생합니다.

넓은 "연속체"를 연속 스펙트럼 또는 백색 복사라고 합니다. 그 위에 겹쳐진 날카로운 봉우리를 특성 X선 방출선이라고 합니다. 전체 스펙트럼은 전자와 물질의 충돌 결과이지만 넓은 부분과 선이 나타나는 메커니즘은 다릅니다. 물질은 많은 수의 원자로 구성되며 각 원자는 전자 껍질로 둘러싸인 핵을 가지며 주어진 원소의 원자 껍질에있는 각 전자는 특정 불연속 에너지 준위를 차지합니다. 일반적으로 이러한 껍질 또는 에너지 준위는 핵에 가장 가까운 껍질부터 시작하여 기호 K, L, M 등으로 표시됩니다. 충분히 높은 에너지의 입사 전자가 원자에 결합된 전자 중 하나와 충돌하면 그 전자를 껍질에서 떨어뜨립니다. 빈 공간은 더 높은 에너지에 해당하는 껍질의 다른 전자가 차지합니다. 이 후자는 X선 광자를 방출하여 과도한 에너지를 방출합니다. 껍질 전자는 불연속적인 에너지 값을 가지기 때문에 생성된 X선 광자도 불연속적인 스펙트럼을 갖습니다. 이것은 특정 파장에 대한 날카로운 피크에 해당하며 특정 값은 대상 요소에 따라 다릅니다. 특성선은 전자가 제거된 껍질(K, L 또는 M)에 따라 K-, L- 및 M-계열을 형성합니다. X선의 파장과 원자번호의 관계를 Moseley의 법칙이라고 한다(Fig. 2).

쌀. 2. 화학 원소에서 방출되는 특징적인 X선 방사선의 파장은 원소의 원자 번호에 따라 다릅니다. 이 곡선은 Moseley의 법칙에 해당합니다. 원소의 원자 번호가 클수록 특성선의 파장은 짧아집니다.

전자가 상대적으로 무거운 핵과 충돌하면 속도가 느려지고 운동 에너지가 거의 같은 에너지의 X선 광자의 형태로 방출됩니다. 그가 핵을 지나 날아가면 에너지의 일부만 잃고 나머지는 자신을 방해하는 다른 원자로 옮겨집니다. 에너지 손실의 각 행위는 약간의 에너지를 가진 광자의 방출로 이어집니다. 연속적인 X선 스펙트럼이 나타나며, 그 상한선은 가장 빠른 전자의 에너지에 해당합니다. 이것이 연속 스펙트럼이 형성되는 메커니즘으로, 연속 스펙트럼의 경계를 고정하는 최대 에너지(또는 최소 파장)는 입사 전자의 속도를 결정하는 가속 전압에 비례합니다. 스펙트럼 선은 충격을 받은 표적의 재료를 특성화하는 반면 연속 스펙트럼은 전자빔의 에너지에 의해 결정되며 실제로 표적 재료에 의존하지 않습니다.

X선은 전자 충격뿐만 아니라 다른 소스의 X선을 대상에 조사하여 얻을 수 있습니다. 그러나 이 경우 입사빔의 에너지 대부분은 특성 X선 스펙트럼에 들어가고 그 중 아주 작은 부분이 연속 스펙트럼에 속합니다. 분명히, 입사 X선 빔은 충격을 받은 요소의 특성 라인을 여기시키기에 충분한 에너지를 가진 광자를 포함해야 합니다. 특성 스펙트럼당 에너지 비율이 높기 때문에 이 X선 여기 방법은 과학 연구에 편리합니다.

엑스레이 튜브. 전자와 물질의 상호작용으로 인해 X선 방사선을 얻기 위해서는 전자의 공급원, 전자를 고속으로 가속할 수 있는 수단, 전자 충격을 견디고 X선 방사선을 생성할 수 있는 표적이 필요합니다. 필요한 강도. 이 모든 것을 갖춘 장치를 X선관이라고 합니다. 초기 탐험가들은 오늘날의 방전관과 같은 "심진공" 관을 사용했습니다. 그들의 진공은 그리 높지 않았습니다.

방전관에는 소량의 가스가 포함되어 있으며, 방전관의 전극에 큰 전위차를 가하면 가스 원자가 양이온과 음이온으로 변합니다. 양극은 음극(음극) 쪽으로 이동하고, 그 위에 떨어지면 전자를 노크하고, 차례로 양극(양극)으로 이동하여 충격을 가하여 X선 광자의 흐름을 생성합니다. .

Coolidge가 개발한 최신 X선관(그림 3)에서 전자 소스는 고온으로 가열된 텅스텐 음극입니다. 전자는 양극(또는 양극)과 음극 사이의 높은 전위차에 의해 고속으로 가속됩니다. 전자는 원자와 충돌하지 않고 양극에 도달해야 하므로 매우 높은 진공이 필요하며 이를 위해서는 튜브를 잘 비워야 합니다. 이것은 또한 나머지 가스 원자의 이온화 가능성과 관련 측전류를 감소시킵니다.

쌀. 삼. X선관 냉각. 전자로 충격을 받으면 텅스텐 양극극은 특징적인 X선을 방출합니다. X선 빔의 단면적은 실제 조사 면적보다 작습니다. 1 - 전자빔; 2 - 집속 전극이 있는 음극; 3 - 유리 쉘 (튜브); 4 - 텅스텐 타겟(음극); 5 - 음극 필라멘트; 6 - 실제로 조사된 영역; 7 - 효과적인 초점; 8 - 구리 양극; 9 - 창; 10 - 산란된 엑스레이.

전자는 음극을 둘러싸고 있는 특별한 모양의 전극에 의해 양극에 집중됩니다. 이 전극을 집속 전극이라고 하며 음극과 함께 튜브의 "전자 스포트라이트"를 형성합니다. 전자 충격을 받는 양극은 충격을 가하는 전자의 운동 에너지의 대부분이 열로 변환되기 때문에 내화 물질로 만들어져야 합니다. 또한, 양극은 원자번호가 높은 물질로 만드는 것이 바람직하다. 원자 번호가 증가함에 따라 x-선 수율이 증가합니다. 가장 일반적으로 선택되는 양극 물질은 원자 번호가 74인 텅스텐입니다.

X선관의 디자인은 용도와 요구사항에 따라 달라질 수 있습니다.

X선은 원자 현상의 연구와 실용화에서 가장 중요한 역할 중 하나입니다. 그들의 연구 덕분에 많은 발견이 이루어졌으며 다양한 분야에서 사용되는 물질 분석 방법이 개발되었습니다. 여기서 우리는 X선 유형 중 하나인 특성 X선을 고려할 것입니다.

X선의 성질과 성질

X선 복사는 약 300,000km/s의 속도로 우주 공간에서 전파되는 전자기장의 상태, 즉 전자기파 상태의 고주파 변화입니다. 전자기 복사의 범위 규모에서 X-선은 약 10 -8 ~ 5∙10 -12 미터의 파장 범위에 위치하며 이는 광파보다 몇 배나 짧은 크기입니다. 이것은 3∙10 16 ~ 6∙10 19 Hz의 주파수와 10 eV ~ 250 keV 또는 1.6∙10 -18 ~ 4∙10 -14 J의 에너지에 해당합니다. 전자기 복사는 중첩으로 인해 다소 관습적입니다.

가속 하전 입자(고에너지 전자)와 전기장, 자기장 및 물질 원자의 상호 작용입니다.

X선 광자는 특히 파장이 1나노미터(10~9m) 미만인 경 X선의 경우 높은 에너지와 높은 투과력 및 이온화력을 특징으로 합니다.

X선은 광전 효과(광흡수) 및 비간섭성(Compton) 산란 과정에서 물질과 상호 작용하여 원자를 이온화합니다. 광흡수에서 X선 ​​광자는 원자의 전자에 의해 흡수되어 에너지를 전달합니다. 그 값이 원자에 있는 전자의 결합 에너지를 초과하면 원자를 떠납니다. Compton 산란은 더 단단한(에너지가 있는) X선 광자의 특징입니다. 흡수된 광자의 에너지 일부는 이온화에 사용됩니다. 이 경우 1차 광자의 방향에 대해 특정 각도에서 더 낮은 주파수로 2차 광자가 방출됩니다.

X선 방사선의 종류. Bremsstrahlung

광선을 얻기 위해 내부에 전극이 있는 유리 진공 병이 사용됩니다. 전극 사이의 전위차는 수백 킬로볼트까지 매우 높아야 합니다. 전류로 가열된 텅스텐 음극에서 열이온 방출이 발생합니다. 즉 전자가 방출되어 전위차에 의해 가속되어 양극에 충격을 가합니다. 양극 원자와의 상호 작용(반음극이라고도 함)의 결과로 X선 광자가 생성됩니다.

광자의 탄생으로 이어지는 과정에 따라 bremsstrahlung 및 특성과 같은 유형의 X 선 방사선이 있습니다.

전자는 양극과 만나 속도가 느려질 수 있습니다. 즉, 원자의 전기장에서 에너지를 잃을 수 있습니다. 이 에너지는 X선 광자의 형태로 방출됩니다. 이러한 방사선을 bremsstrahlung이라고 합니다.

제동 조건은 개별 전자에 따라 다릅니다. 이것은 서로 다른 양의 운동 에너지가 X선으로 변환된다는 것을 의미합니다. 결과적으로 bremsstrahlung은 다른 주파수와 파장의 광자를 포함합니다. 따라서 스펙트럼은 연속적(연속적)입니다. 때때로 이러한 이유로 "백색" X선이라고도 합니다.

bremsstrahlung 광자의 에너지는 그것을 생성하는 전자의 운동 에너지를 초과할 수 없으므로 bremsstrahlung의 최대 주파수(및 가장 작은 파장)는 양극에 입사하는 전자의 운동 에너지의 가장 큰 값에 해당합니다. 후자는 전극에 적용된 전위차에 따라 다릅니다.

다른 과정에서 나오는 또 다른 유형의 X선이 있습니다. 이 방사선을 특성이라고하며 더 자세히 설명합니다.

특징적인 X선이 생성되는 방식

양극극에 도달하면 빠른 전자가 원자 내부로 침투하여 더 낮은 궤도 중 하나에서 전자를 녹아웃시킬 수 있습니다. 즉, 전위 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 원자로 전달할 수 있습니다. 그러나 원자에서 전자가 차지하는 더 높은 에너지 준위가 있는 경우 빈 자리는 비어 있지 않습니다.

다른 에너지 시스템과 마찬가지로 원자의 전자 구조도 에너지를 최소화하려고 한다는 점을 기억해야 합니다. 녹아웃의 결과로 형성된 공석은 더 높은 수준 중 하나의 전자로 채워집니다. 그것의 에너지는 더 높으며, 더 낮은 수준을 차지하면서 특징적인 X선 복사의 양자 형태로 잉여를 방출합니다.

원자의 전자 구조는 전자의 가능한 에너지 상태의 이산 세트입니다. 따라서 전자 결손이 대체될 때 방출되는 X선 광자는 준위 차이를 반영하여 엄격하게 정의된 에너지 값만 가질 수 있습니다. 그 결과, 특징적인 X선 복사는 연속적이지 않고 선 형태의 스펙트럼을 갖는다. 이러한 스펙트럼을 통해 양극의 물질을 특성화할 수 있으므로 이러한 광선의 이름이 지정됩니다. bremsstrahlung과 특징적인 X선이 의미하는 바가 분명한 것은 스펙트럼의 차이 때문입니다.

때때로 초과 에너지는 원자에서 방출되지 않고 세 번째 전자를 녹아웃시키는 데 사용됩니다. 이 과정(소위 오제 효과)은 전자 결합 에너지가 1keV를 초과하지 않을 때 발생하기 쉽습니다. 방출된 오제 전자의 에너지는 원자의 에너지 준위 구조에 따라 달라지므로 이러한 전자의 스펙트럼도 이산적입니다.

특성 스펙트럼의 일반 보기

좁은 특성선이 연속적인 제동 스펙트럼과 함께 X선 스펙트럼 패턴에 나타납니다. 스펙트럼을 강도 대 파장(주파수)의 플롯으로 표현하면 선 위치에서 날카로운 피크를 볼 수 있습니다. 그들의 위치는 양극 물질에 따라 다릅니다. 이러한 최대값은 모든 전위차에 존재합니다. X선이 있으면 항상 피크도 있습니다. 튜브의 전극에서 전압이 증가함에 따라 연속 및 특성 X선 방사선의 강도가 모두 증가하지만 피크의 위치와 강도의 비율은 변하지 않습니다.

X선 스펙트럼의 피크는 전자가 조사되는 양극의 물질에 관계없이 동일한 모양을 갖지만, 물질에 따라 서로 다른 주파수에 위치하여 주파수 값의 근접성에 따라 직렬로 결합됩니다. 시리즈 자체 사이에서 주파수의 차이는 훨씬 더 중요합니다. 극대값의 모양은 양극 물질이 순수한 화학 원소를 나타내는지 또는 복합 물질인지 여부에 어떤 식으로든 의존하지 않습니다. 후자의 경우 구성 요소의 특성 X선 스펙트럼이 단순히 서로 겹쳐집니다.

화학 원소의 원자 번호가 증가하면 X선 스펙트럼의 모든 선이 주파수가 증가하는 방향으로 이동합니다. 스펙트럼은 형태를 유지합니다.

모즐리의 법칙

특성선의 스펙트럼 이동 현상은 1913년 영국 물리학자 Henry Moseley에 의해 실험적으로 발견되었습니다. 이를 통해 그는 스펙트럼의 최대 주파수를 화학 원소의 서수와 연관시킬 수 있었습니다. 따라서 특성 X선 복사의 파장은 특정 요소와 명확하게 상관 관계가 있음이 밝혀졌습니다. 일반적으로 Moseley의 법칙은 다음과 같이 작성할 수 있습니다. √f = (Z - S n)/n√R, 여기서 f는 주파수, Z는 요소의 서수, S n은 스크리닝 상수, n은 주요 양자 숫자이고 R은 상수 리드버그입니다. 이 관계는 선형이며 Moseley 다이어그램에서 각 n 값에 대한 일련의 직선으로 나타납니다.

n의 값은 특성 X선 피크의 개별 시리즈에 해당합니다. Moseley의 법칙을 통해 X선 스펙트럼 최대값의 측정된 파장(주파수와 고유하게 관련됨)에서 단단한 전자에 의해 조사된 화학 원소의 일련 번호를 결정할 수 있습니다.

화학 원소의 전자 껍질 구조는 동일합니다. 이것은 X선 복사의 특성 스펙트럼에서 이동 변화의 단조로움으로 표시됩니다. 주파수 이동은 구조적인 것이 아니라 각 요소에 대해 고유한 전자 껍질 간의 에너지 차이를 반영합니다.

원자 물리학에서 모즐리 법칙의 역할

Moseley의 법칙으로 표현되는 엄격한 선형 관계에서 약간의 편차가 있습니다. 그것들은 첫째, 일부 요소에서 전자 껍질의 채우기 순서의 특성과 연결되고 둘째로 무거운 원자에서 전자 운동의 상대론적 효과와 연결됩니다. 또한 핵의 중성자의 수가 변하면(소위 동위 원소 이동) 선의 위치가 약간 변할 수 있습니다. 이 효과로 원자 구조를 자세히 연구할 수 있었습니다.

Moseley의 법칙의 중요성은 매우 큽니다. 멘델레예프의 주기 시스템의 요소에 대한 일관된 적용은 특성 최대값의 각각의 작은 이동에 따라 일련 번호를 증가시키는 패턴을 확립했습니다. 이것은 요소의 순서 수의 물리적 의미에 대한 질문을 명확히 하는 데 기여했습니다. Z 값은 단순한 숫자가 아닙니다. 핵을 구성하는 입자의 단위 양전하의 합인 핵의 양전하입니다. 테이블에 요소의 올바른 배치와 빈 위치의 존재(그때도 여전히 존재)는 강력한 확인을 받았습니다. 주기율법의 유효성이 입증되었습니다.

또한 Moseley의 법칙은 X 선 분광법과 같은 실험 연구의 전체 영역이 등장한 기초가되었습니다.

원자의 전자 껍질 구조

전자 구조가 어떻게 배열되어 있는지 간단히 기억합시다.그것은 문자 K, L, M, N, O, P, Q 또는 1에서 7까지의 숫자로 표시되는 껍질로 구성됩니다. 가능한 에너지 값을 결정하는 주요 양자 번호 n. 외부 껍질에서 전자의 에너지는 더 높고 외부 전자의 이온화 전위는 그에 따라 더 낮습니다.

쉘에는 s, p, d, f, g, h, i와 같은 하나 이상의 하위 수준이 포함됩니다. 각 셸에서 하위 레벨의 수는 이전에 비해 1씩 증가합니다. 각 하위 수준 및 각 껍질의 전자 수는 특정 값을 초과할 수 없습니다. 그것들은 주요 양자 수에 더하여 모양을 결정하는 궤도 전자 구름의 동일한 값에 의해 특징지어집니다. 하위 수준은 2s, 4d 등과 같이 속해 있는 셸로 레이블이 지정됩니다.

하위 수준에는 주 및 궤도 외에도 하나 이상의 양자 수 - 자기에 의해 설정된 전자의 궤도 운동량을 자기장 방향으로 결정하는 것이 포함됩니다. 하나의 오비탈은 2개 이하의 전자를 가질 수 있으며 네 번째 양자 수인 스핀의 값이 다릅니다.

특징적인 X선 방사선이 어떻게 발생하는지 자세히 살펴보겠습니다. 이러한 유형의 전자기 방출의 기원은 원자 내부에서 발생하는 현상과 관련이 있으므로 전자 구성의 근사화로 정확하게 설명하는 것이 가장 편리합니다.

특징적인 X선 생성 메커니즘

따라서이 방사선의 원인은 고에너지 전자가 원자 깊숙이 침투하여 내부 껍질에 전자 공석이 형성되기 때문입니다. 단단한 전자가 상호 작용할 확률은 전자 구름의 밀도와 함께 증가합니다. 따라서 충돌은 가장 낮은 K 껍질과 같이 조밀하게 채워진 내부 껍질 내에서 발생할 가능성이 가장 높습니다. 여기서 원자는 이온화되고 1s 껍질에 공석이 형성됩니다.

이 빈자리는 더 높은 에너지를 가진 껍질에서 나온 전자로 채워지며, 그 초과분은 X선 광자에 의해 운반됩니다. 이 전자는 두 번째 껍질 L, 세 번째 껍질 M 등에서 "떨어질" 수 있습니다. 이것이 특성 시리즈가 형성되는 방식이며, 이 예에서는 K 시리즈입니다. 빈자리를 채우는 전자가 어디에서 왔는지 표시는 계열을 지정할 때 그리스 인덱스 형식으로 제공됩니다. "알파"는 L-쉘에서, "베타"는 M-쉘에서 온다는 것을 의미합니다. 현재 그리스 문자 색인을 쉘을 지정하기 위해 채택된 라틴 문자로 대체하는 경향이 있습니다.

계열에서 알파선의 강도는 항상 가장 높으며, 이는 인접한 껍질에서 빈 공간을 채울 확률이 가장 높다는 것을 의미합니다.

이제 우리는 특성 X선 양자의 최대 에너지가 얼마인지라는 질문에 답할 수 있습니다. 그것은 공식 E \u003d E n 2 - E n 1에 따라 전자 전이가 발생하는 수준의 에너지 값의 차이에 의해 결정됩니다. 여기서 E n 2와 E n 1은 전환이 발생한 전자 상태. 이 매개변수의 가장 높은 값은 가능한 가장 높은 수준의 중원소 원자에서 K-계열 전이에 의해 제공됩니다. 그러나 이러한 선의 강도(피크 높이)는 가능성이 가장 적기 때문에 가장 작습니다.

전극의 전압이 충분하지 않아 경전자가 K 준위에 도달할 수 없으면 L 준위에서 빈 공간을 형성하고 더 긴 파장의 에너지가 덜한 L 계열이 형성됩니다. 후속 시리즈도 비슷한 방식으로 탄생합니다.

또한 공석이 채워지면 전자 전환의 결과로 위에 있는 쉘에 새로운 공석이 나타납니다. 이것은 다음 시리즈를 생성하기 위한 조건을 만듭니다. 전자 공석은 수준에서 수준으로 더 높게 이동하고 원자는 이온화된 상태를 유지하면서 일련의 특징적인 스펙트럼 계열을 방출합니다.

특성 스펙트럼의 미세 구조

특성 X선 방사선의 원자 X선 스펙트럼은 미세한 구조를 특징으로 하며, 이는 광학 스펙트럼에서와 같이 선 분할로 표현됩니다.

미세 구조는 에너지 준위(전자 껍질)가 밀접하게 배치된 구성 요소 집합인 하위 껍질이라는 사실에 기인합니다. 하위 껍질을 특성화하기 위해 전자의 고유 및 궤도 자기 모멘트의 상호 작용을 반영하는 내부 양자 수 j가 하나 더 도입되었습니다.

스핀-궤도 상호작용의 영향으로 원자의 에너지 구조가 더욱 복잡해지며, 결과적으로 특성 X선 복사는 매우 밀접하게 이격된 요소가 있는 분할선을 특징으로 하는 스펙트럼을 갖습니다.

미세 구조 요소는 일반적으로 추가 디지털 인덱스로 표시됩니다.

특징적인 X선 복사는 스펙트럼의 미세한 구조에서만 반사되는 특징을 가지고 있습니다. 가장 낮은 에너지 준위로의 전자의 전이는 위에 있는 준위의 더 낮은 하위 껍질에서 발생하지 않습니다. 그러한 사건은 무시할 수 있는 확률을 가지고 있습니다.

분광법에서 X선 ​​사용

이 복사는 Moseley의 법칙에 의해 설명된 특성으로 인해 물질 분석을 위한 다양한 X선 스펙트럼 방법의 기초가 됩니다. X선 스펙트럼을 분석할 때 결정에 의한 방사선의 회절(파장법) 또는 흡수된 X선 광자의 에너지에 민감한 검출기(에너지 분산법)가 사용됩니다. 대부분의 전자현미경에는 어떤 형태의 X선 분광기 부착물이 장착되어 있습니다.

Wave-dispersive spectrometry는 특히 높은 정확도를 특징으로 합니다. 특수 필터의 도움으로 스펙트럼에서 가장 강렬한 피크가 선택되어 정확하게 알려진 주파수로 거의 단색 복사를 얻을 수 있습니다. 양극 물질은 원하는 주파수의 단색 빔을 얻을 수 있도록 매우 신중하게 선택됩니다. 연구 물질의 결정 격자에 대한 회절은 격자 구조를 매우 정확하게 연구하는 것을 가능하게 합니다. 이 방법은 DNA 및 기타 복잡한 분자 연구에도 사용됩니다.

특성 X선 복사의 특징 중 하나는 감마 분광법에서도 고려됩니다. 이것은 특성 피크의 높은 강도입니다. 감마 분광계는 측정을 방해하는 외부 배경 복사에 대한 납 차폐를 사용합니다. 그러나 감마 양자를 흡수하는 납은 내부 이온화를 경험하여 X선 범위에서 활발히 방출합니다. 추가 카드뮴 차폐는 납에서 나오는 특징적인 X선 방사의 강렬한 피크를 흡수하는 데 사용됩니다. 차례로 이온화되고 X선도 방출합니다. 카드뮴의 특성 피크를 중화하기 위해 세 번째 차폐 층이 사용됩니다. 구리의 X선 최대값은 감마 분광계의 작동 주파수 범위 밖에 있습니다.

분광법은 bremsstrahlung과 특성 X선을 모두 사용합니다. 따라서 물질 분석에서는 다양한 물질에 의한 연속 X선의 흡수 스펙트럼을 연구합니다.

현대 의학은 진단과 치료를 위해 많은 의사를 사용합니다. 그들 중 일부는 비교적 최근에 사용된 반면 다른 일부는 수십 또는 수백 년 이상 동안 사용되었습니다. 또한 100년 전 윌리엄 콘라드 뢴트겐(William Conrad Roentgen)이 놀라운 X선을 발견하여 과학계와 의학계에 큰 반향을 일으켰습니다. 그리고 이제 전 세계의 의사들이 진료에 사용합니다. 오늘 대화의 주제는 의학에서의 엑스레이가 될 것이며, 그 적용에 대해 조금 더 자세히 논의 할 것입니다.

X선은 전자기 복사의 종류 중 하나입니다. 그것들은 방사선의 파장과 조사된 물질의 밀도와 두께에 따라 달라지는 상당한 투과 품질을 특징으로 합니다. 또한 X선은 많은 물질의 빛을 일으키고 살아있는 유기체에 영향을 미치며 원자를 이온화하고 일부 광화학 반응을 촉매할 수 있습니다.

의학에서 엑스레이의 사용

현재까지 엑스레이의 특성으로 인해 엑스레이 진단 및 엑스레이 치료에 널리 사용될 수 있습니다.

엑스레이 진단

X선 진단은 다음을 수행할 때 사용됩니다.

엑스레이(투과);
- 방사선 촬영(사진);
- 형광 검사;
- 엑스레이 및 컴퓨터 단층 촬영.

투시

그러한 연구를 수행하려면 환자가 X선관과 특수 형광 스크린 사이에 위치해야 합니다. 전문 방사선 전문의는 갈비뼈뿐만 아니라 내부 장기의 사진을 화면에서 수신하여 필요한 X선 경도를 선택합니다.

방사선 촬영

이 연구를 위해 환자는 특수 필름이 들어 있는 카세트에 놓입니다. X선 기계는 물체 바로 위에 배치됩니다. 결과적으로 내부 장기의 부정적인 이미지가 필름에 나타나며 여기에는 여러 가지 미세한 세부 사항이 포함되어 있으며 형광 투시 검사보다 더 자세하게 표시됩니다.

형광촬영

이 연구는 결핵 진단을 포함하여 인구의 대량 건강 검진 중에 수행됩니다. 동시에 대형 스크린의 사진이 특수 필름에 투영됩니다.

단층촬영

단층 촬영을 수행할 때 컴퓨터 빔은 조직의 특별히 선택된 횡단면에서 한 번에 여러 장소의 장기 이미지를 얻는 데 도움이 됩니다. 이 일련의 엑스레이를 단층 촬영이라고 합니다.

컴퓨터 단층 촬영

이러한 연구를 통해 X선 스캐너를 사용하여 인체의 일부를 등록할 수 있습니다. 데이터가 컴퓨터에 입력된 후 단면에서 한 장의 그림을 얻습니다.

나열된 각각의 진단 방법은 필름을 비추는 X선 빔의 특성과 인간 조직과 뼈 골격이 효과에 대한 투과성이 다르다는 사실을 기반으로 합니다.

엑스레이 요법

특별한 방식으로 조직에 영향을 미치는 X선의 능력은 종양 형성을 치료하는 데 사용됩니다. 동시에 이 방사선의 이온화 특성은 급속 분열이 가능한 세포에 노출될 때 특히 두드러집니다. 악성 종양 형성의 세포를 구별하는 것은 이러한 특성입니다.

그러나 엑스레이 요법은 많은 심각한 부작용을 일으킬 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이러한 영향은 조혈, 내분비 및 면역계의 상태에 공격적으로 영향을 미치며, 이들의 세포도 매우 빠르게 분열합니다. 그들에 대한 공격적인 영향은 방사선 질병의 징후를 유발할 수 있습니다.

인간에 대한 X선 방사선의 영향

의사들은 엑스레이를 연구하는 동안 일광 화상과 유사한 피부 변화를 일으킬 수 있지만 피부에 더 깊은 손상을 줄 수 있음을 발견했습니다. 이러한 궤양은 매우 오랫동안 치유됩니다. 과학자들은 방사선의 시간과 선량을 줄이고 특수 차폐 및 원격 제어 방법을 사용하여 그러한 병변을 피할 수 있음을 발견했습니다.

X선의 공격적인 영향은 장기적으로 나타날 수도 있습니다. 혈액 구성의 일시적 또는 영구적 변화, 백혈병 및 조기 노화에 대한 감수성입니다.

사람에 대한 엑스레이의 영향은 많은 요인에 따라 달라집니다. 어떤 기관이 조사되는지, 얼마나 오래 조사되는지에 따라 다릅니다. 조혈 기관에 대한 조사는 혈액 질환을 유발할 수 있고 생식 기관에 노출되면 불임으로 이어질 수 있습니다.

체계적인 조사를 수행하는 것은 신체의 유전 적 변화의 발달로 가득 차 있습니다.

엑스레이 진단에서 엑스레이의 실제 피해

검사 중 의사는 가능한 최소량의 엑스레이를 사용합니다. 모든 방사선량은 특정 허용 기준을 충족하며 사람에게 해를 끼칠 수 없습니다. X선 진단은 그것을 수행하는 의사에게만 심각한 위험을 초래합니다. 그런 다음 현대적인 보호 방법은 광선의 침략을 최소한으로 줄이는 데 도움이됩니다.

방사선 진단의 가장 안전한 방법은 사지의 방사선 촬영과 치과 엑스레이를 포함합니다. 이 등급의 다음 위치는 유방 조영술, 컴퓨터 단층 촬영, 그 다음이 방사선 촬영입니다.

의학에서 X 선을 사용하여 사람에게만 이익을 주려면 적응증에 따라 도움을 받아 연구를 수행해야합니다.

1895년 독일의 물리학자 뢴트겐(Roentgen)은 진공 상태에서 두 전극 사이의 전류 통과에 대한 실험을 하는 동안 방전관이 검은색 판지 스크린으로 닫혀 있음에도 불구하고 발광 물질(바륨염)로 덮인 스크린이 빛나는 것을 발견했습니다. 이것이 X선 X선이라고 하는 불투명한 장벽을 관통하는 방사선이 발견된 방법입니다. 인간의 눈에 보이지 않는 엑스선은 불투명한 물체에 더 강하게 흡수되어 장벽의 원자번호(밀도)가 커지므로 엑스선은 인체의 연조직을 쉽게 통과하지만, 골격의 뼈에 의해. 강력한 X선 소스가 설계되어 금속 부품을 통해 빛나고 내부 결함을 찾을 수 있습니다.

독일 물리학자 라우에(Laue)는 X선이 가시광선과 동일한 전자기 복사선이지만 파장이 더 짧고 회절을 포함한 모든 광학 법칙을 적용할 수 있다고 제안했습니다. 가시 광선 광학에서 기본 수준의 회절은 홈 시스템의 빛 반사로 나타낼 수 있습니다. 회절 격자는 특정 각도에서만 발생하지만 광선의 반사 각도는 입사각과 관련이 있습니다. 회절 격자의 홈과 입사 방사선의 파장 사이의 거리. 회절의 경우 스트로크 사이의 거리가 입사광의 파장과 거의 같아야 합니다.

Laue는 X선이 결정의 개별 원자 사이의 거리에 가까운 파장을 갖는다고 제안했습니다. 결정의 원자는 X선에 대한 회절 격자를 생성합니다. 결정의 표면을 조사한 X선은 이론상 예측한 대로 인화판에 반사되었다.

원자의 위치 변화는 회절 패턴에 영향을 미치며, x-선의 회절을 연구함으로써 결정에 있는 원자의 배열과 결정에 대한 물리적, 화학적, 기계적 영향 하에서 이러한 배열의 변화를 알아낼 수 있습니다. .

이제 X선 분석은 기존 재료의 원자 배열을 학습하고 주어진 구조와 특성을 가진 새로운 재료를 만드는 데 도움이 되어 과학 기술의 많은 영역에서 사용됩니다. 이 분야(나노물질, 비정질 금속, 복합 재료)의 최근 발전은 다음 과학 세대를 위한 활동 분야를 창출합니다.

X선의 발생과 성질

X선 소스는 음극과 양극의 두 전극이 있는 X선 튜브입니다. 음극이 가열되면 전자방출이 일어나고 음극에서 방출된 전자는 전기장에 의해 가속되어 양극 표면에 부딪힌다. X선관은 주로 더 높은 가속 전압(1kV 이상)으로 기존의 라디오 램프(다이오드)와 구별됩니다.

전자가 음극에서 날아갈 때 전기장은 양극 쪽으로 날아가게 하고 속도는 계속 증가하고 전자는 자기장을 운반하며 전자의 속도에 따라 강도가 증가합니다. 양극 표면에 도달하면 전자가 급격히 감속되고 특정 범위의 파장에서 전자기 펄스가 발생합니다(bremsstrahlung). 파장에 대한 복사 강도의 분포는 X선관의 양극 재료와 인가 전압에 따라 달라지지만, 단파 측면에서 이 곡선은 인가 전압에 따라 달라지는 특정 임계값 최소 파장에서 시작합니다. 가능한 모든 파장의 광선 집합은 연속 스펙트럼을 형성하며 최대 강도에 해당하는 파장은 최소 파장의 1.5배입니다.

전압이 증가함에 따라 X선 스펙트럼은 원자와 고에너지 전자 및 1차 X선 양자의 상호작용으로 인해 극적으로 변합니다. 원자에는 내부 전자 껍질(에너지 준위)이 포함되어 있으며 그 수는 원자 번호에 따라 다릅니다(문자 K, L, M 등으로 표시) 전자와 1차 X선은 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 전자를 녹아웃시킵니다 . 준안정 상태가 발생하고, 안정 상태로의 전이를 위해서는 반대 방향으로 전자의 점프가 필요하다. 이 도약은 에너지 양자의 방출과 X선의 출현을 동반합니다. 이 방사선은 연속 스펙트럼 X선과 달리 매우 좁은 파장 범위와 높은 강도(특성 방사선)를 가지고 있습니다. 센티미터. 쌀.). 특성 방사선의 강도를 결정하는 원자의 수는 매우 큽니다. 예를 들어 1kV의 전압에서 구리 양극이 있는 X선관의 경우 15mA의 전류, 10 14-10 15 원자가 특성을 나타냅니다 1초 동안의 방사선. 이 값은 K-쉘(K-계열의 X선 특성 복사)에서 나오는 X선 양자 에너지에 대한 총 X선 출력의 비율로 계산됩니다. 이 경우 X선 복사의 총 전력은 소비 전력의 0.1%에 불과하며 나머지는 주로 열로의 전환으로 인해 손실됩니다.

높은 강도와 ​​좁은 파장 범위로 인해 특성 X선 복사는 과학 연구 및 공정 제어에 사용되는 주요 유형의 복사입니다. K-시리즈 빔과 동시에 훨씬 더 긴 파장을 갖는 L 및 M-시리즈 빔이 생성되지만 적용이 제한됩니다. K-시리즈는 가까운 파장 a와 b를 가진 두 개의 구성 요소를 가지고 있는 반면 b 구성 요소의 강도는 a보다 5배 작습니다. 차례로, a-성분은 두 개의 매우 가까운 파장을 특징으로 하며, 그 중 하나의 강도는 다른 것보다 2배 더 큽니다. 단일 파장의 방사선(단색 방사선)을 얻기 위해 파장에 대한 X선의 흡수 및 회절 의존성을 사용하는 특별한 방법이 개발되었습니다. 원소의 원자번호의 증가는 전자껍질의 특성 변화와 관련이 있으며, X선관 음극재의 원자번호가 클수록 K-계열 파장은 짧아진다. 원자 번호가 24~42(Cr, Fe, Co, Cu, Mo)이고 파장이 2.29~0.712A(0.229~0.712nm)인 원소의 양극이 있는 가장 널리 사용되는 튜브입니다.

X선관 외에도 방사성 동위원소는 X선의 공급원이 될 수 있으며, 일부는 X선을 직접 방출할 수 있고, 다른 일부는 금속 표적에 충격을 가할 때 X선을 생성하는 전자 및 α-입자를 방출할 수 있습니다. 방사성 소스의 X선 강도는 일반적으로 X선관의 강도보다 훨씬 낮습니다(단, 결함 탐지에 사용되며 매우 작은 파장인 g-방사선을 방출하는 방사성 코발트는 제외). 크기가 작고 전기가 필요하지 않습니다. 싱크로트론 X선은 전자 가속기에서 생성되며, 이 방사선의 파장은 X선관(연 X선)에서 얻은 파장보다 훨씬 높으며 그 강도는 X선관의 강도보다 수십 배 더 높습니다. X선의 천연 소스도 있습니다. 방사성 불순물은 많은 광물에서 발견되었으며 별을 포함한 우주 물체의 X-선이 기록되었습니다.

X선과 결정의 상호작용

결정구조를 갖는 물질에 대한 X선 연구에서는 결정격자의 원자에 속하는 전자에 의한 X선 산란으로 인한 간섭패턴을 분석한다. 원자는 움직이지 않는 것으로 간주되고 열 진동은 고려되지 않으며 동일한 원자의 모든 전자는 결정 격자의 노드인 한 지점에 집중된 것으로 간주됩니다.

결정에서 X선 ​​회절의 기본 방정식을 유도하기 위해 결정 격자에서 직선을 따라 위치한 원자에 의해 산란된 광선의 간섭을 고려합니다. 단색 X선 복사의 평면파는 코사인이 0과 같은 각도로 이러한 원자에 떨어집니다. 원자에 의해 산란되는 광선의 간섭 법칙은 가시 파장 범위의 빛을 산란시키는 회절 격자에 존재하는 것과 유사합니다. 모든 진동의 진폭이 원자 계열에서 먼 거리에서 합산되기 위해서는 인접 원자의 각 쌍에서 나오는 광선의 경로 차이가 정수 수의 파장을 포함하는 것이 필요하고 충분합니다. 원자 사이의 거리가 있을 때 ㅏ이 조건은 다음과 같습니다.

ㅏ(ㅏ – 0) = 시간내가 ,

여기서 원자 시리즈와 편향된 빔 사이의 각도의 코사인, 시간-정수. 이 방정식을 만족하지 않는 모든 방향에서 광선은 전파되지 않습니다. 따라서 산란된 빔은 공통 축이 원자 행인 동축 원뿔 시스템을 형성합니다. 원자 행에 평행한 평면에 있는 원뿔의 자취는 쌍곡선이고 행에 수직인 평면에 있는 원뿔입니다.

광선이 일정한 각도로 떨어지면 다색(백색) 복사가 고정된 각도로 편향된 광선 스펙트럼으로 분해됩니다. 따라서 원자 시리즈는 X선에 대한 분광기입니다.

2차원(평면) 원자 격자로 일반화한 다음 3차원 체적(공간) 결정 격자로 일반화하면 X-선의 입사각과 반사각, 3차원 원자 사이의 거리를 포함하는 두 개의 유사한 방정식이 나옵니다. 지도. 이러한 방정식을 Laue 방정식이라고 하며 X선 회절 분석의 기초가 됩니다.

평행한 원자 평면에서 반사된 광선의 진폭이 합산되고, 원자의 수가 매우 많으며 반사된 방사선은 실험적으로 고정될 수 있습니다. 반사 조건은 Wulff-Bragg 방정식2d sinq = nl로 설명됩니다. 여기서 d는 인접한 원자 평면 사이의 거리, q는 입사 광선 방향과 결정의 이러한 평면 사이의 경사각, l은 X선 파장이고 n은 반사 차수라고 하는 정수입니다. 각도 q는 원자 평면에 대한 입사각이며, 연구 중인 샘플의 표면과 방향이 반드시 일치하지는 않습니다.

연속 스펙트럼 복사와 단색 복사를 모두 사용하는 여러 X선 회절 분석 방법이 개발되었습니다. 이 경우 연구 대상은 정지하거나 회전할 수 있으며 하나의 결정(단결정) 또는 여러 개(다결정)로 구성될 수 있으며 회절된 방사선은 평면 또는 원통형 X선 필름 또는 이동하는 X선 검출기를 사용하여 기록할 수 있습니다. 그러나 모든 경우에 실험 및 결과 해석 중에 Wulf-Bragg 방정식이 사용됩니다.

과학 및 기술 분야의 X선 분석

X선 회절의 발견으로 연구자들은 현미경 없이 외부 영향 하에서 개별 원자의 배열과 이러한 배열의 변화를 연구할 수 있는 방법을 마음대로 사용할 수 있습니다.

기초 과학에서 X선의 주요 응용 프로그램은 구조 분석입니다. 결정에서 개별 원자의 공간적 배열을 설정합니다. 이를 위해 단결정을 성장시키고 X선 분석을 수행하여 반사 위치와 강도를 모두 연구합니다. 이제 금속뿐만 아니라 기본 세포가 수천 개의 원자를 포함하는 복잡한 유기 물질의 구조가 결정되었습니다.

광물학에서는 수천 개의 광물의 구조가 X-선 분석에 의해 결정되었으며 광물 원료의 분석을 위한 표현 방법이 만들어졌습니다.

금속은 비교적 단순한 결정구조를 가지고 있으며 X선법은 다양한 기술적 처리과정에서 일어나는 변화를 연구하고 새로운 기술의 물리적 기반을 만들 수 있다.

합금의 상 조성은 X선 패턴의 선 배열에 의해 결정되고 결정의 수, 크기 및 모양은 너비에 따라 결정되며 결정의 방향(질감)은 회절 원뿔.

이러한 기술은 결정의 분쇄, 내부 응력의 발생 및 결정 구조의 불완전성(전위)을 포함하여 소성 변형 동안의 프로세스를 연구하는 데 사용됩니다. 변형된 재료가 가열될 때 응력 완화 및 결정 성장(재결정화)이 연구됩니다.

합금의 X선 분석이 고용체의 조성과 농도를 결정할 때. 고용체가 나타나면 원자 간 거리와 결과적으로 원자 평면 사이의 거리가 변경됩니다. 이러한 변화는 작기 때문에 기존의 X선 연구 방법으로 측정 정확도보다 10배 더 높은 정확도로 결정 격자의 주기를 측정하기 위한 특수 정밀 방법이 개발되었습니다. 결정 격자 주기의 정밀 측정과 위상 분석을 결합하면 상태 다이어그램에 위상 영역의 경계를 표시할 수 있습니다. X선법은 또한 고용체와 화합물 사이의 중간 상태를 검출할 수 있습니다. 즉, 불순물 원자가 고용체에서와 같이 무작위로 배열되지 않은 정렬된 고용체와 동시에 화학 물질에서와 같이 3차원 순서가 아닌 정렬된 고용체입니다. 화합물. 정렬된 고용체의 x-선 패턴에는 추가 선이 있습니다. x-선 패턴의 해석은 불순물 원자가 예를 들어 정육면체의 정점에서 결정 격자의 특정 위치를 차지한다는 것을 보여줍니다.

상변태가 일어나지 않는 합금을 담금질하는 동안 과포화 고용체가 발생할 수 있으며, 추가로 가열하거나 실온에서 유지하면 고용체가 분해되어 화합물의 입자가 방출됩니다. 이것은 노화의 영향으로 방사선 사진에서 선의 위치와 너비의 변화로 나타납니다. 노화에 대한 연구는 비철 합금의 경우 특히 중요합니다. 예를 들어 노화는 부드럽고 경화된 알루미늄 합금을 내구성 있는 구조 재료인 두랄루민으로 변형시킵니다.

강철 열처리의 X선 연구는 가장 기술적으로 중요합니다. 강의 경화(급속 냉각) 중에 확산 없는 오스테나이트-마르텐사이트 상전이가 발생하여 구조가 입방체에서 정방정계로 변경됩니다. 단위 셀은 직사각형 프리즘의 형태를 취합니다. 방사선 사진에서 이것은 선의 확장과 일부 선이 둘로 분리되는 것으로 나타납니다. 이러한 효과의 원인은 결정구조의 변화뿐만 아니라 마르텐사이트 구조의 열역학적 비평형 및 급속 냉각으로 인한 큰 내부응력의 발생이다. 템퍼링(경화강 가열) 중에 X선 패턴의 선이 좁아지는 것은 평형 구조로의 복귀 때문입니다.

최근 몇 년 동안 집중된 에너지 흐름(레이저 빔, 충격파, 중성자 및 전자 펄스)이 있는 재료의 처리에 대한 X선 연구는 새로운 기술이 필요하고 새로운 X선 효과를 생성하는 데 매우 중요합니다. 예를 들어 금속에 레이저빔의 작용으로 가열과 냉각이 너무 빨리 일어나 금속에서 냉각되면 결정이 몇 개의 단위셀(나노결정)의 크기로만 성장할 시간을 가지거나 형성할 시간이 없다. 조금도. 이러한 냉각 후 금속은 일반 금속처럼 보이지만 엑스선 패턴에 선명한 선을 나타내지 않으며 반사된 엑스선은 모든 각도 범위에 걸쳐 분포합니다.

중성자 조사 후 X선 패턴에 추가 반점(확산 최대값)이 나타납니다. 방사성 붕괴는 또한 구조의 변화와 관련된 특정 X선 효과와 연구 중인 샘플 자체가 X선 소스가 된다는 사실을 유발합니다.