Тормозное рентгеновское излучение

Рентгеновские лучи возникают при бомбардировке твердых тел бы­стрыми электронами. Устройство для создания рентгеновских лучей на­зывают рентгеновской трубкой. Схема такого устройства показана на рис. 17.5. В стеклянную колбу вмонтированы два металлических элек­трода: катод и анод. Последний называют также мишенью, или анти­катодом. В колбе создают достаточно высокий вакуум. При нагрева­нии катода электрическим током с его поверхности начинают вылетать электроны. Это явление называется термоэлектронной эмиссией. При­ложенное между катодом и анодом высокое напряжение U создает электрическое поле, при движении в котором электроны ускоряются и с боль­шими скоростями падают на поверхность анода-мишени. При взаимодей­ствии электронов с атомами мишени происходит их торможение, которое сопровождается испусканием электромагнитного излучения. Это излу­чение впервые было обнаружено Рентгеном в 1895 г. (Вильгельм Рент­ген (1845 - 1923) - немецкий физик-экспериментатор, первый физик -лауреат Нобелевской премии 1901 г.). Теперь это излучение называют рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи

Анод

Электроны

Рис. 17.5. Рентгеновская трубка

Типичный график зависимости I = I(λ) интенсивности рентгеновско­го излучения от длины волны приведен на рис. 17.6. Как видно из графи­ка, в спектре рентгеновского излучения отсутствуют электромагнитные волны, длины которых меньше некоторого значения А_тгп. Причем это значение зависит от ускоряющего электроны напряжения U, и не зависит от того, из какого вещества изготовлена мишень. Вид этой кривой да­ет основание рассматривать спектральную интенсивность I = I(λ) I = /(λ) как сумму двух "независимых" функций I₁ = I₁(λ) и I₂ = I₂(λ), которые описывают различные физические явления:

I(λ) = I₁(λ) + I₂(λ)

Первая из этих функций - I₁ = I₁(λ) является "гладкой". Она равна нулю для коротких длин волн, т.е. при λ < λ_min. В области λ > λ_min эта функция сначала резко возрастает, достигает максимума, а затем убывает до нуля при λ—»оо. Вид этой функции почти не зависит от ве­щества мишени. График второй функции I₂ = I₂(λ) представляет собой последовательность "острых" максимумов, которые подобны спектраль­ным линиям видимого света, испускаемого нагретыми газами. Вид этой функции определяется веществом мишени и является его индивидуаль­ной характеристикой.

Рассмотренные особенности спектров рентгеновского излучения позво­ляют предположить, что оно возникает в ходе двух различных процессов.

Та часть рентгеновского излучения, которая имеет непрерывный спектр, описываемый функцией I₁ = I₁(λ), есть электромагнитное излучение, ис­пускаемое самими электронами при их торможении в веществе мишени. Это излучение называют тормозным рентгеновским излучением. Рент­геновское излучение, имеющее "линейчатый" спектр I₂ = I₂(λ), испус­кается теми атомами вещества, которые были предварительно возбужде­ны ударами быстрых электронов. Спектр этого излучения определяется строением испустивших его атомов. Поэтому его называют характери­стическим рентгеновским излучением.

I

О λ_min λ

Рис. 17.6. Спектральная интенсивность рентгеновских лучей

Согласно классической теории электромагнитного поля неравномерно движущаяся заряженная частица должна излучать электромагнитные волны всех длин и частот. На самом деле в спектре тормозного рентге­новского излучения присутствуют волны, длины которых λ > λ_min. При­сутствие коротковолновой границы λ_min в спектре тормозного рентгенов­ского излучения можно объяснить только на основе квантовых предста­влений о природе электромагнитного излучения. Действительно, пред­положим, что электромагнитное излучение есть совокупность частиц-фотонов. Энергия ω одного фотона, рожденного при торможении в ве­ществе одного электрона, не может быть больше кинетической энергии E_k этого электрона:

ћω<Е_к. (17-11)

Энергия E_k электрона, приобретаемая им при движении в электрическом поле от катода к аноду, равна работе eU, которую совершает поле:

Е_к = eU

Таким образом, приходим к неравенству

ћω< eU, (17.12)

Которое при помощи соотношения

ω =2πc/λ

Можно преобразовать к виду

λ≥ λ_min

где

λ_min =c h/(eU) (17.13)

Последнее соотношение используют для измерения постоянной Планка.