Главная > Физика > Курс физики (Грабовский Р.И.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 125. Дифракция рентгеновских лучей. Формула Вульфа-Брэггов

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл особый вид электромагнитного излучения (коротковолнового) с длиной волны названный впоследствии рентгеновскими лучами. Эти лучи

вызывают свечение экрана, покрытого люминофором (см. § 135), и почернение фотоэмульсии, благодаря чему их можно использовать для фотографирования.

Рентгеновские лучи проходят через непрозрачные для обычного света тела: дерево, металл, кость, мышечную ткань и т. д. Причем более плотные вещества поглощают рентгеновские лучи сильнее, чем менее плотные. Если рентгеновские лучи проходят через объект, характеризующийся неравномерным распределением плотности вещества, то на экране (или фотопластинке), помещенном позади объекта, появляется теневое изображение, на котором распределение освещенности соответствует распределению плотности вещества в объекте. Так, например, на теневом изображении кисти руки (рис. 332) мышечная ткань дает слабую тень, кость — более сильную, а металлическое кольцо С и осколки пули дают очень резкую тень.

Рис. 332

Благодаря таким свойствам рентгеновские лучи широко применяются в медицине и технике для исследования внутреннего строения тел, например для обнаружения изменений в организме (рентгенодиагностика) и выявления дефектов в деталях машин (рентгенодефектоскопия).

Кроме того, рентгеновские лучи используются в лечебных целях. Больные клетки и ткани организма обладают повышенной чувствительностью к рентгеновским лучам. Поэтому соответствующей дозой рентгеновского облучения можно подавлять и даже разрушать больные ткани организма (например, злокачественные опухоли), не поражая соседних здоровых тканей.

Рентгеновские лучи возникают при резкой остановке электронов, быстро движущихся в рентгеновской трубке. Современная рентгеновская трубка состоит из металлического анода А и катода К, подогреваемого током, проходящим по вольфрамовой спирали 1 (рис. 333). Эти электроды находятся в баллоне 2 с высоким вакуумом Па). Между катодом и анодом приложено напряжение достигающее 105 В.

Рис. 333

Электроны, эмиттируемые катодом и разгоняемые электрическим полем до скоростей порядка ударяются об анод. Движение электронов представляет собой электрический ток, а

изменение скорости их движения соответствует перемене тока, что, как известно, сопровождается возникновением электромагнитных волн. Очень резкое торможение электронов, происходящее при их ударе об анод, создает коротковолновое электромагнитное излучение, называемое тормозным рентгеновским излучением. Оно имеет сплошной спектр, поскольку различные электроны тормозятся с несколько различными ускорениями и, следовательно, испускают волны различной длины.

При очень больших напряжениях наряду с тормозным излучением возникает так называемое характеристическое рентгеновское излучение, имеющее линейчатый спектр. Такое излучение создают атомы анода, возбуждаемые ударами электронов, поэтому вид линейчатого спектра зависит от химического состава вещества, из которого изготовлен анод. Более подробно характеристическое излучение рассмотрено в § 134 (в связи со строением атома).

Рис. 334

Рис. 335

Волновая природа рентгеновских лучей была экспериментально подтверждена в 1912 г. немецкими физиками Лауэ, Фридрихом и Книппингом, обнаружившими явление дифракции рентгеновских лучей от кристаллов. В этих экспериментах кристалл играл роль пространственной дифракционной решетки; рассеивающими центрами служили узлы (атомы или ионы) кристаллической решетки. На рис. 334 представлена фотография дифракционной картины, создаваемой рентгеновскими лучами, проходящими через кристалл бериллия. Пятна на этой фотографии соответствуют дифракционным максимумам рентгеновских волн определенных длин (остальные волны, входящие в сплошной спектр тормозного рентгеновского излучения, рассеиваются кристаллом равномерно, вызывая равномерное потемнение фотопластинки—фон).

Дифракция рентгеновских лучей имеет место как при прохождении их через кристалл, так и при отражении от него. Условие, необходимое для дифракции рентгеновских лучей, можно получить исходя из следующих соображений.

Пусть пучок параллельных рентгеновских лучей падает на кристалл под углом скольжения к системе параллельных плоскостей, проходящих через узлы (атомы) кристаллической решетки (рис. 335). Такие атомные плоскости можно рассматривать как полупрозрачные зеркала, частично, пропускающие и частично отражающие

рентгеновские лучи. Следовательно, отраженные лучи выходят из кристалла также под углом к атомным плоскостям. Будучи когерентными, эти лучи создают на фотопластинке изображение дифракционных максимумов при условии, что разность хода соседних лучей составляет целое число длин волн:

где расстояние между атомными плоскостями, Соотношение (10) называется формулой Вульфа — Брэггов. Углы измеряются на фотографии дифракционной картины (по положению дифракционных максимумов).

Если известна длина волны рентгеновского излучения, то по формуле (10) можно определять расстояния характеризующие структуру кристаллов; такой метод исследования строения тел называется рентгеноструктурным анализом.

При использовании кристалла известной структуры (с известным расстоянием формула Вульфа — Брэггов дает возможность определять длины волн, входящих в состав рентгеновского излучения. На этом основан метод определения химического состава вещества, называемый рентгеноспектральным анализом. Исследуемое вещество бомбардируют быстрыми электронами (поместив его, например, на анод разборной рентгеновской трубки), в результате чего оно испускает характеристические рентгеновские лучи, падающие на кристалл известной структуры. Сфотографировав возникающую при этом дифракционную картину, измеряют углы и рассчитывают по формуле (10) соответствующие длины волн. Полученный таким образом линейчатый спектр дает возможность судить о химическом составе излучающего вещества, поскольку каждому химическому элементу присущ вполне определенный спектр характеристического излучения (см. § 134).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление