Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία µε λ [ m] (ή 0,01-10Å) και ενέργεια φωτονίων kev.

Transcript

1 Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία µε λ [ m] (ή 0,01-10Å) και ενέργεια φωτονίων kev. To ορατό καταλαµβάνει ένα πολύ µικρό µέρος του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος: 1,6-3,2eV. Page 1 of 13

2 Η ιστορική 1 η παρατήρηση 1895: Ο Prof. W. Rőntgen (1 o βραβείο Nobel Φυσικής) µελετούσε το φαινόµενο εκκένωσης αίγλης που παράγεται όταν ηλεκτρικό ρεύµα περνά µέσα από αέριο σε σωλήνα υπό χαµηλή πίεση όταν: Παρατήρησε: φθορισµό οθόνης επικαλυµµένης µε φθορίζον υλικό. Ότι το αόρατο το «φώς» από τον σωλήνα διαπερνούσε διάφορα υλικά (χαρτί, ξύλο, βιβλία) κατά την κίνηση του διαπίστωσε ότι τα κόκαλα του χεριού του προβάλλονταν επάνω στον τοίχο!!! Φωτογραφία του εφευρέτη στο εργαστήριο του. ιακρίνονται ο σωλήνας και η φθορίζουσα οθόνη. 1 η εφαρµογή: Το 1895, 1 µήνα µετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ, Γάλλοι επιστήµονες έβγαλαν ακτινογραφία του χεριού της κ. Röntgen. Page 2 of 13

3 Μηχανισµός παραγωγής ακτίνων Χ: σωλήνας Coolidge ταχέως κινούµενα e επιταχύνονται υπό V= V προσπίπτουν σε µεταλλική άνοδο-στόχο. Ο σωλήνας Coolidge εφευρέθηκε το 1913 στο Εργαστήριο της General Electric. (α) (β) Το σύστηµα λειτουργεί υπό κενό (10-7 atm) ελαχιστοποιείται η απώλεια ενέργειας των e λόγω σκεδάσεων µε άτοµα του αερίου. Τυπικό µήκος σωλήνα 0,1-0,5m. Στο (β) φαίνεται σωλήνας Coolidge που κατασκευάστηκε το 1930, στα εργαστήρια της GE. Αποτελείται από θερµιονική κάθοδο που εκπέµπει ηλεκτρόνια. Το ρεύµα των ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη θερµοκρασία Τ Page 3 of 13

4 της καθόδου: 2 φ j = AT exp kt όπου Α=σταθερά και φ το έργο εξόδου του µετάλλου 1. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται υπό διαφορά δυναµικού V και προσπίπτουν στην άνοδο που αποτελείται από δύστηκτο µέταλλο. Τα ηλεκτρόνια προσπίπτουν στην άνοδο µε ενέργεια: E kin = ev Τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται µε 2 µηχανισµούς: Ορισµένα e επιβραδύνονται σταδιακά από τα άτοµα της ανόδου χάνουν ενέργεια σταδιακά εκποµπή φωτονίων µε συνεχή κατανοµή ενεργειών συνεχές φάσµα που ονοµάζεται ακτινοβολία πέδησης (bremstrahlung) και είναι ανεξάρτητη του υλικού της ανόδου. Ορισµένα e αποδίδουν όλη την ενέργεια τους σε ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων µεµονωµένων ατόµων της ανόδου τα οποία διεγείρονται 1 Φ= η χαρακτηριστική για κάθε µέταλλο ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να βγάλουµε ένα e από την στάθµη Fermi. Page 4 of 13

5 Τα αποδιεγειρόµενα άτοµα εκπέµπουν φωτόνια µε διακριτές ενέργειες που είναι χαρακτηριστικές του υλικού της ανόδου γραµµικό φάσµα εκποµπής Τα εσωτερικά ηλεκτρόνια (e) των ατόµων κατανέµονται στις στοιβάδες Κ, L, M κλπ. Έστω ότι το e που προσπίπτει στην άνοδο εκτοπίζει ένα e από την Κ. Το κενό γεµίζει µε µετάπτωση e από ανώτερη στοιβάδα & η περίσσεια της ενέργειας φωτόνιο ακτίνων Χ. Πιθανές µεταπτώσεις Γραµµές L K K α Μ Κ Κ β Ν Κ Κ γ Όπου hν(κ α )<hν(κ β )<hν(κ γ ) Page 5 of 13

6 Η µέγιστη ενέργεια των γραµµών εκποµπής δίνεται από τη σχέση: E kin = ev = hf max c = h λ min Το 99% της ενέργειας των e χάνεται υπό µορφή θερµότητας η άνοδος κατασκευάζεται από δύστηκτο υλικό ενώ η ψύξη της ανόδου είναι απαραίτητη. Συνήθες υλικό για την άνοδο: W (tungsten) επειδή είναι δύστηκτο µέταλλο : Τ m (W)=3422 C, T m (Fe)= 1538 o C, T m (Si)= 1414 C. Ανάλογα µε την ενέργειά τους οι ακτίνες Χ διακρίνονται σε: Σκληρές ακτίνες Χ: µεγάλες τιµές του V (>2000eV) Μαλακές ακτίνες Χ: µικρές τιµές του V ( eV) Page 6 of 13

7 Το φάσµα εξαρτάται άµεσα από Το υλικό της ανόδου Το δυναµικό λειτουργίας Αύξηση του V αύξηση της ακτινοβολίας πέδησης και ελάττωση του λ ο. c ev = h λmin Παραδείγµατα γραµµικών φασµάτων Το γραµµικό φάσµα του Ne Page 7 of 13

8 Λυχνία Αr Λυχνία CO 2 Λυχνία Ν 2 Φάσµα του Ar Φάσµα του CO 2 Φάσµα του N 2. Page 8 of 13

9 Νόµος του Moseley (1913) Η συχνότητα των µονοχρωµατικών γραµµών του φάσµατος είναι: ή v = α ( Z b) ν = f = x10 2 ( Z 1) Hz όπου α, b σταθερές και Z ο ατοµικός αριθµός. Ισχυρή απόδειξη για την έννοια του ατοµικού αριθµού Χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό του ατοµικού αριθµού Ζ αγνώστων πυρήνων. Ο Moseley ταυτοποίησε τα άγνωστα µέχρι τότε στοιχεία Tc (technetium), Pm (promethium) and Re(rhenium). Σήµερα : Οι ακτίνες Χ, που έχουν πολύ µεγάλη ευαισθησία, χρησιµοποιούνται για τη χηµική ανάλυση υλικών που περιέχουν προσµείξεις σε πολύ µικρές συγκεντρώσεις (π.χ. ηµιαγωγοί). Page 9 of 13

10 Απορρόφηση ακτίνων Χ J J x o e µ = [J m -2 s -1 ] Όπου J o και J η ένταση της προσπίπτουσας και διερχόµενης δέσµης, αντίστοιχα. µ ο συντελεστής απορρόφησης Προσοχή!!! Ο συντελεστής απορρόφησης µ εξαρτάται από την πυκνότητα ρ εξαρτάται από την φάση του υλικού ορίζουµε τον συντελεστή απορρόφησης µάξης µ m µ = ρ για κάθε χηµική ένωση ορίζεται µία και µοναδική τιµή του µ m Αποδεικνύεται ότι: 3 3 m = cλ Z µ όπου c=σταθερά, λ το µήκος κύµατος και Ζ ο ατοµικός αριθµός του απορροφόντος στοιχείου τα βαρέα στοιχεία απορροφούν εντονότερα από τα ελαφρά. Page 10 of 13

11 οι µαλακές ακτίνες Χ (µεγάλο λ) απορροφώνται εντονότερα από τις σκληρές. Ο συντελεστής απορρόφησης εµφανίζει µέγιστα στις ενέργειες που αντιστοιχούν σε διάφορες στάθµες του ατόµου που απορροφά & ονοµάζονται ακµές απορρόφησης. Οι ακµές απορρόφησης των στοιχείων Ir kαι Pt. Στις ενέργειες που αντιστοιχούν σε τροχιακά εµφανίζονται µέγιστα απορρόφησης. Φάσµα απορρόφησης Η 2 Ο: Το φάσµα εξαρτάται από τη δοµή του υλικού Page 11 of 13

12 Μηχανισµοί αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ µε την ύλη Μηχανισµός: Σκέδαση Compton : παρατηρήθηκε το 1924 φωτόνιο (hν) µε µήκος κύµατος λ σκεδάζεται από σχεδόν ελεύθερο ηλεκτρόνιο (e) Το hν χάνει µέρος της ενέργειάς του και σκεδάζεται υπό γωνία θ µε νέο µήκος κύµατος λ Το e αποκτά κινητική ενέργεια 1 mυ 2 2 Μηχανισµός Compton σκέδασης Κατά τη σκέδαση Compton προκύπτουν και φωτόνια µε µήκος h mc κύµατος µεγαλύτερο του προσπίπτοντος. λ λ = ( 1 cosθ) Page 12 of 13

13 Φωτοηλεκτρικό φαινόµενο : Παρατηρήθηκε το 1887 Μηχανισµός: φωτόνιο ακτίνων Χ σκεδάζεται από ακίνητο e που καθίσταται ελεύθερο µε Ekin = mυ Φωτοηλεκτρικό φαινόµενο Το φαινόµενο Compton είναι : σηµαντικό για σκληρές ακτίνες Χ σχετικά ανεξάρτητο του Ζ και της ενέργειας του φωτονίου. Το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο είναι σηµαντικό για: Υλικά µεγάλου Ζ ( Ζ 5 ) Μαλακές ακτίνες Χ (Ε<50keV) Ιδιότητες των ακτίνων Χ Προσβάλλουν την φωτογραφική πλάκα Εχουν µεγάλο βάθος διείσδυσης στα υλικά Ιονίζουν τα άτοµα εν αποκλίνουν υπό την επίδραση ηλεκτροµαγνητικού πεδίου. Page 13 of 13