Promieniowanie rentgenowskie
advertisement
Mirosław Kwiatek Temat: Promieniowanie rentgenowskie – jego wytwarzanie, badanie i przyczynianie się do powstawania różnych zjawisk .Materia może powstać z energii! Dokładniej – połowa materii bo drugą połową jest przedstawiciel antymaterii - antyelektron Istnieją jeszcze krótsze od termicznych fale odkryte przez Rentgena (nazwisko to pisze się w rzeczywistości z użyciem ‘litery skandynawskiej’ albo też: Roentgena; Sam Rentgen nazwał to promieniowanie krótko: X). Promieniowanie to jak się okazuje wykazuje wiele analogii do termicznego. Promieniowanie X jest wysokoenergetyczne; przy małych długościach fale te mają duże częstotliwości a więc dużą energię h. Aby takie promieniowanie wytworzyć trzeba też dużych energii. Energię uzyskujemy z pola elektrycznego wytwarzanego dzięki wysokiemu napięciu rzędu min kilku kV. Rozpędzone dzięki polu elektrycznemu (napięciu) elektrony uderzają w metalową płytkę i w większości zamieniają się na ciepło (!) ale w ok. 1 % powodują wyemitowanie promieniowania X. Metal płytki musi być odporny cieplnie (a i tak jest od wewnątrz, wydrążonymi kanałkami, chłodzony cieczą) więc jest wykonany z … wolframu (jak w żarówce, która też większość energii, niekiedy 85 % zamienia w ciepło!), który ma temperaturę topnienia 3670 oC Widmo ciągłe promieniowania termicznego można uzyskać przy pomocy pryzmatu - przez załamanie - a można też przy pomocy zespołu (kilku tysięcy na długości cala = 24 mm) krawędzi przegrodowych (szczelin) zwanego siatką dyfrakcyjną – przez ugięcie (i interferencję). Natomiast widmo ciągłe promieniowania X – tylko przy pomocy siatki dyfrakcyjnej. Jednakże nie jest to siatka wykonana sztucznie, technologicznie, przez wykonanie rys. Siatka dyfrakcyjna musi mieć odstępy między swymi szczelinami rzędu długości fali. Technologicznie nie jest to (jeszcze) możliwe, bo długości fal X są poniżej 100 odległości międzyatomowych w krysztale metalu (poniżej 200 x 10-10 m czyli poniżej 200 tzw angstremów a odległość międzyatomowa to ok. 2 – 3 angsztremy) . Ale siatką może być naturalna sieć jaką jest właśnie pozbawiony wad monokryształ metalu. Siatka naturalna jest przestrzenna czyli jest zbiorem dużej ikości (ale skończonej z powodu skończonej grubości monokryształu) siatek płaskich. Ale te siatki mogą być wyodrębnione w różnych kierunkach (bardzo duża liczba kierunków ale też skończona z powodu skończonych wymiarów kryształu) Można mówić o rodzinach siatek o różnych stałych d czyli liczbach atomów na 1 mm Siatki dyfrakcyjne przy tym sztuczne mogą być nie tylko takie przez które promieniowanie (np. świetlne) przechodzi by interferować po drugiej stronie; Siatki dyfrakcyjne mogą być też tzw. odbiciowe (refleksyjne), dla których interferencja zachodzi w świetle odbitym. Laue otrzymał nagrodę Nobla za praktyczne udowodnienie możliwości dyfrakcji na cienkim monokrysztale (np. kalcytu) ale Bragg zamiast rozpatrywać wiązkę przechodzącą przez kryształ wziął pod uwagę wiązkę ulegającą odbiciu od kryształu. Nie jest to jednak zwykłe odbicie lecz selektywne, tzn przy ściśle określonym kącie. Uzyskał widmo ciągłe na kliszy fotograficznej składające się z obszarów o różnej jaskrawości (jak na fotografii czarno-białej) Okazuje się, ze promieniowanie X też jest skupione wokół swojego maksimum (a krzywa jest też łagodna dla długości dużych i stroma dla mniejszych długości)! Widmo może być też rodziną krzywych – dla różnych ustalonych napięć – też im wyższe ustalane wartości (napięcia) tym większe energie! I maksima krzywych rodziny przesuwają się też po hiperboli – są wyższe dla krótszych fal: hc MAXU = const = 1,5 e gdzie ładunek elementarny (elektronu) e = 1,6 x 10-19 C Np. dla 120 000 V otrzymamy MAX = 10-11 m czyli 0,1 angsztrema Jest jakościowa różnica – dla promieniowania Rentgena istnieje dla każdego napięcia długość minimalna min (o), do której wykres spada w sposób stromy. c hc ho = Ue czyli h = Ue stąd o = Ue Oprócz widma ciągłego promieniowanie X też ma widma liniowe, w seriach. Powstawanie promieniowania X jest właściwie jakościowo odwrotne do zjawiska fotoelektrycznego (w którym foton przekazuje energię cząstce materii - elektronowi). Przy emisji promieniowania X EK elektronu swobodnego zamienia się wskutek hamowania na tzw. antykatodzie na energię fotonu h promieniowania Rentgena (praca wyjścia istniejąca w zjawisku fotoelektrycznym jest tu zaniedbywanie mała w stosunku do energii fotonów). Ta zamiana może odbywać się w kilku etapach (i to w przypadkowej kolejności) więc z powodu wielu możliwości jest ciągłość widma Za emisję X są odpowiedzialne elektrony najsilniej związane z jądrem więc dlatego fotony X są wysokoenergetyczne. Gdy elektrony rozpędzone do 0,1c uderzają w wolfram to wnikają na pewną głębokość. Elektron jest hamowany doznając zmniejszenia prędkości a więc i energii kinetycznej. Ten ubytek jest emitowany w postaci elektromagnetycznej fali X. Gdy elektron zostanie całkowicie wyhamowany to przypadek szczególny. Wtedy cała energia zamienia się w foton X. Energia fotonu jest maksymalna a więc maksymalna jest częstotliwość a więc minimalna długość fali. Promieniowaniem X jest też właściwie promieniowanie jądrowe lecz inaczej otrzymywanym (bez napięcia), z izotopów promieniotwórczych (jednak promieniowanie może mieć jeszcze niższe długości fal; jest więc jeszcze bardziej energetyczne i szkodliwe dla organizmów ludzkich /‘w całości’, bo może likwidować lokalnie komórki rakowe ) Promieniowanie jest wysyłane podczas rozpadu jąder atomowych. Powstałe jądra pochodne znajdują się zwykle w stanach wzbudzonych. Przejścia tych jąder do stanów podstawowych zachodzą poprzez emisję kwantów . Tak więc promieniowanie nie jest wysyłane przez jądra macierzyste. Istnieją tzw. synchrotrony, urządzenia z silnymi elektromagnesami, które są źródłami fal w zakresie obejmującym zarówno promieniowanie termiczne jak i rentgenowskie (światłość powierzchniowa w maksimum jest np. 3 rzędy wielkości większa od Słońca dodatkowo!) Synchrotron jest jakby przeciwieństwem lasera Swobodny elektron (cząstka naładowana ogólnie) emituje promieniowanie gdy zmienia przyspieszenie. Przy wytwarzaniu X zmienia wartość przypieszenia bo hamuje (opóźnienie występuje). Ale przyspieszenie jest wektorem więc jeszcze kierunek może się zmieniać! Tak jest gdy siła Lorentza zakrzywia ciągle tor ruchu (wektor prędkości) swobodnych elektronów w akceleratorze kołowym (przyspieszenie dośrodkowe). I wtedy powstaje promieniowanie synchrotronowe. Przez długi czas było traktowane jako niepożądany efekt uboczny (od odkrycia w 1947; teoria przewidywała ale bez efektów relatywistycznych spodziewano się dłuższych fal) Od lat 80tych zaczęto konstruować akceleratory z wyłącznym przeznaczeniem na źródło niemonochromatyczne promieniowania o bardzo szerokim widmie (można powiedzieć, że promieniowanie synchrotronowe jest przeciwieństwem lasera) Promieniowanie synchrotronowe jest powszechne we Wszechświecie Z drugiej strony widma fal elektromagnetycznych, widmo promieniowania radiowego/ UKF i mikrofalowego/ emitowanego przez obiekty astronomiczne zwane radioźródłami – niektóre galaktyki (:1cm – 1m) nie ma charakteru termicznego. Energia rośnie (wykładniczo) z długością fal; Bez maksimum. Promieniowanie rentgenowskie jest bardzo energetyczne więc można za jego pomocą zrobić aż 3 rewolucyjne kiedyś dla fizyki doświadczenia ilustrujące zjawiska potwierdzające słuszność teorii kwantowej. Załóżmy, że mamy cienką folię metalową np. z ołowiu. Gdy powierzchnia płytki zostanie napromieniowana kwantami X o energii większej od 1 MeV, np. 3,5 MeV (Jeden elektron uzyska energię z pola elektrycznego wytworzonego napięciem 3,5 miliona woltów), to jednocześnie zajdą 3 następujące zjawiska (Z różnym prawdopodobieństwem. Zjawisko 1, mające prawdopodobieństwo spadkowe dla rosnących energii i zjawisko 3, o prawdopodobieństwie rosnącym, mają dla tej niemałej energii akurat równe prawdopodobieństwa ale dość małe; Zjawisko 2, o prawdopodobieństwie wg. trendu spadającego, ma prawdopodobieństwo wyższe ok. 2 razy): 1) Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – polegające na wybijaniu elektronów (potrzeba do tego tzw. pracy wyjścia) i nadawaniu im prędkości po stronie, na którą pada promieniowanie Rentgena Zjawisko to można też uzyskać dla fotonów światła nie tak bardzo energetycznych jak kwanty X; Praca wyjścia dla przykładowego metalu wynosi 5 eV a przykładowe napięcie przyspieszające: 10 V da wybitemu elektronowi energię 10 eV skąd minimalna energia fotonu musi wynosić zaledwie 15 eV. Rząd wielkości energii jest milion razy mniejszy ale też częstotliwość promieniowania X jest milion razy większa od częstotliwości świetlnych (np. 600 nm a 0,03 angsztrema, 10-6 a 10-10 x 10-2 = 10-12). Zjawisko to zostało wykryte przez Hertza, który podczas prób z wytwarzaniem fal radiowych o długości rzędu kilku metrów zauważył, że ultrafiolet ułatwia przebicie elektryczne padając na przerwę iskrową oscylatora ale wyjaśnione dopiero przez Plancka 2) Zjawisko Comptona – polegające na wybijaniu elektronów i nadawaniu im prędkości po stronie przeciwnej do powierzchni przyjmowania promieniowania X, z jednoczesnym przejściem przez folię fotonu ale oczywiście ze zmniejszoną energią h czyli ze zwiększoną nieco długością fali X; Kierunek wypromieniowania X i tor ruchu elektronu tworzą kąty z prostopadłą do powierzchni wyjściowej malejące wraz z energią fotonu padającego – tak, że kierunki wypromieniowań ‘rozbiegają’ się Dodatkowo stosunek prawdopodobieństw wystąpienia zjawisk: fotoelektrycznego i Comptona zależy od liczby Z – dla pierwiastków ciężkich jak Pb (przy hn < 0,5 MeV) zjawisko fotoelektryczne przeważa nad efektem Comptona Compton ‘swoje’ zjawisko przewidział, zaplanował 3) Zjawisko tworzenia par – polegające na wytworzeniu za folią elektronu i antyelektronu czyli pozytonu (pozyton e+ jest cząstką elementarną z grupy antycząstek; Różni się od elektronu tylko przeciwnym znakiem. Z antyprotonem może utworzyć antywodór czyli przedstawiciela antymaterii – udało się i doświadczalnie wytworzyć kilka atomów antywodoru). Pozyton i elektron (‘antypozyton’) rozbiegaja się symetrycznie w „przeciwne” strony (też – im większa energia tym mniejsz kąt między nimi) jeśli za folią jest pole magnetyczne (B prostopadła do folii). Zjawisko tworzenia par wystąpi tylko od energii ok. 1 MeV Zjawisko to udowadnia słynny wzór Einsteina powstawania masy z energii W celu usystematyzowania wiadomości można dodać co następuje: Dla najmniejszych energii kwantów zachodzą w półprzewodnikach zjawiska: - zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (zmniejszanie się rezystywności pod wpływem światła albo nawet podczerwieni – z powodu przemieszczeń elektronów wewnątrz półprzewodnika samoistnego, z zewnętrznych warstw powłok atomów do pasma przewodnictwa) - zjawisko fotowoltaiczne (wydobywanie elektronów z wnętrza pod jedną z powierzchni półprzewodnika domieszkowanego już pod wpływem światła ale też pod wpływem promieniowania pochodzenia izotopowego np. promieniowania ) - fotoluminescencja (emitowanie światła widzialnego pod wpływem pobudzenia UV) Można usystematyzować i zjawiska ‘odwrotne’, tzn. gdy przyczyną jest bombardowanie elektronami: - elektroluminescencja – świecenie gazów rozrzedzonych (w neonach reklamowych) - fotoluminescencja (ponownie) – świecenie luminoforowego ciała stałego pod wpływem UV, które to ‘światło’ powstało z kolei, jak w elektroluminescencji (w reklamach), pod wpływem bombardowania rozrzedzonych gazów/par elektronami (w świetlówkach) - elektronoluminescencja (katodoluminescencja) – świecenie luminoforowego ciała stałego (w kineskopach) - wytwarzanie promieniowania Rentgena - anihilacja – powstawanie kwantu promieniowania Rentgena/ z pary cząstek: elektron i pozyton - zjawisko fotowoltaiczne spowodowane jądrowym promieniowaniem – gromadzenie elektronów pod jedną z powierzchni półprzewodnika domieszkowanego - Jest jeszcze termoemisja elektronów swobodnych z katody podgrzewanej (np. promieniowaniem) ciepłem Joule’a 2007-07-16
