Природа рентгенівських променів і методи їх отримання

Вчені з різних країн, починаючи з 1896 р., стали швидко розповсюджувати відомості про нові промені і їх чудові властивості. Так, визначний російський фізик П.М. Лебедєв, відомий своїм відкриттям тиску світла, вже 19 січня 1896 р. зробив знімок своєї руки і демонстрував його на лекціях під назвою “Про відкриття Рентгеном Х -променів”, які відбули­ся в Санкт-Петербурзькому університеті 29 січня і 8 лютого 1896 р.

Тоді ще вчені, навіть такі досвідчені як П.М. Лебедєв, нічого не знали про біологічну дію радіації. Тому не можна без жаху і одночасно з великою повагою до цього лицаря науки читати такі слова із щоденника П.М. Лебе­дєва: “20 лютого. Готуючись до “рентгенівської” лекції, я для зйомки грудної клітини позував 30 січня в клініці Льовшина 20 хвилин, не захищаючи обличчя, а 8 лютого – 60 хвилин, захищаючи обличчя цинковим листком, за виключенням підборіддя. В ніч з вчора на сьогодні у мене вилізла вся борода. З жахом чекаю, що буде далі. Виявляється, що брови також помітно випадають”. На жаль, великий вчений-фізик П.М. Лебедєв, ім’ям якого названий академічний інститут фізики в Москві, прожив лише 48 років.

Наступні дослідження показали, що рентгенівські про­мені – це короткі електромагнітні хвилі з довжиною хвилі в інтервалі м. В шкалі електромагнітних хвиль вони розміщені між ультрафіолетовими і гамма-променями.

Хвильова електромагнітна природа рентгенівських про­менів була повністю доведена дослідами по дифракції рентгенів­ських променів на кристалічній решітці, які провів в 1912 р. німецький фізик Лауе. Крім того, з цими проме­нями були здійснені інтерфе­ренційні (російський фізик Лінник, 1930 p.) і дифракцій­ні досліди, аналогічні дослідам із дзеркалами Френеля і диф­ракції на щілині.

Одержання рентгенівського випромінювання. Будова рентгенівської трубки. Рентгенівські промені одержують в рентгенівських труб­ках – скляних балонах, з яких викачане повітря до тиску p = 10­­­­^–6–10^–7 мм. рт. ст. В балон впаяні два електроди: катод К і анод А (мал. 10.1).

Анод (антикатод) – металевий стержень, на скошеному кінці якого закріплена пластинка (3) із тугоплавкого металу, яка називається дзеркальцем антикатода. Ділянка дзеркальця З, на яку падає основна частина електронів (для концентрації електронів катод має спеціальний фокусую­чий циліндр), на­зивається фокусом трубки. Від його пло­щі залежить ширина пучка випромінювання.

Мал. 10.1. Будова рентгенівської трубки.

Катод являє собою спіраль із вольфрамового дроту, який нагрівається електричним струмом від джерела роз­жарювання U_p i випромінює електрони (термоелектронна емісія). Електрони, які випускає нагрітий катод, приско­рюються електричним полем між катодом і антикатодом А і бомбардують антикатод. Прискорююча електрони різниця потенціалів U_a дорівнює декілька десятків тисяч (і навіть більше) вольт. Швидкі електрони влітають в антикатод, гальмуються в ньому і в результаті гальму­вання їх кіне­тична енергія перетворюється в енергію рен­т­ге­­нівсь­кого випромінювання.

Взаємодія швидких електронів з атомами речовини, на яку вони падають, зводиться до таких процесів:

1. Прискорені електрони вибивають зовнішні електрони з атомів речовини антикатода, тобто іонізують їх. Втрату ене­ргії швидких електронів на іонізацію атомів називають іоні­заційними втратами. Вони становлять до 96 % енергії швидких електронів. Ця енергія перетворюється в тепло, за рахунок якого нагріва­ється тіло антикатода. Щоб антикатод не розпла­вився, його виготовляють із матеріалу з досить високою теплопро­відністю (зви­чайно із міді), в процесі роботи його охолод­жують проточною водою (стаціонарні установки) або маслом (пересувні рентге­нівські установки). З цією метою в тілі антикатода робляться канали, по яким циркулює охо­лод­жуюча рідина.

2. Швидкі електрони втрачають енергію в результаті галь­мування при русі у речовині. Згідно з класичною електро­ди­намікою, будь-який заряд, що рухається із приско­рен­ням, ви­промінює електромагнітну енергію. При різкому гальму­ванні швидких електронів їх кінетич­на енергія переходить частково в енергію так званого гальмівного рентгенівського випромі­нювання.

3. Швидкі електрони можуть виривати електрони із внутрішніх (к, l, м) оболонок атомів речовини антикато­да. На звільнене місце переходить електрон з вищої (зовніш­ньої) оболонки, внаслідок чого створюється характеристич­не випромінювання.

Таким чином, рентгенівські промені, які випускає антикатод, дають два спектри: 1) суцільний (або гальмів­ний), що залежить від на­пруги на трубці U_а і має різку межу з боку коротких довжин хвиль; 2) характеристичний (ліній­ча­тий), що залежить від мате­ріалу антикатода.