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. 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. Διακρίνονται ο σωλήνας και η φθορίζουσα οθόνη. To ορατό καταλαμβάνει ένα πολύ μικρό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: 1,6-3,2eV. 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. Παρατήρησε: φθορισμό οθόνης επικαλυμμένης με φθορίζον υλικό. 1 η εφαρμογή: Το 1895, 1 μήνα μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ, Γάλλοι επιστήμονες έβγαλαν ακτινογραφία του χεριού της κ. Röntgen. Μηχανισμός παραγωγής ακτίνων Χ: σωλήνας Coolidge ταχέως κινούμενα e επιταχύνονται υπό ΔV= V προσπίπτουν σε μεταλλική άνοδο-στόχο. Μεταφέρουν στα άτομα του στόχου ενέργεια E kin ev 19/10/10 Page 1 of 12 19/10/10 Page 2 of 12

2 Τα άτομα αποδιεγείρονται με μηχανισμούς 1 ή περισσοτέρων σταδίων και εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Ο σωλήνας Coolidge εφευρέθηκε το 1913 στο Εργαστήριο της General Electric, ΗΠΑ. Το εκπεμπόμενο φάσμα έχει μία συνεχή συνιστώσα & μονοχρωματικές γραμμές. (α) (β) (α) Σχηματικό διάγραμμα σωλήνα Coolidge. 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. (β) σωλήνας Coolidge που κατασκευάστηκε το 1930, στα εργαστήρια της GE. Ο σωλήνας Coolidge αποτελείται από θερμιονική κάθοδο που εκπέμπει ηλεκτρόνια. Το ρεύμα των ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία Τ της καθόδου: 2 j AT exp kt όπου Α=σταθερά και φ το έργο εξόδου του μετάλλου 1. 1 Φ= η χαρακτηριστική για κάθε μέταλλο ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να βγάλουμε ένα e από την στάθμη Fermi. 19/10/10 Page 3 of 12 19/10/10 Page 4 of 12

3 Έργο εξόδου: η χαρακτηριστική ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να βγάλουμε ένα e από την στάθμη Fermi (πιο υψηλή γεμάτη στάθμη) π.χ. Al eV. Το φάσμα πέδησης εξαρτάται άμεσα από το δυναμικό επιτάχυνσης των e. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται υπό διαφορά δυναμικού ΔV και προσπίπτουν στην άνοδο, που αποτελείται από δύστηκτο μέταλλο, με ενέργεια: E kin ev Στην καλύτερη περίπτωση όλη η ενέργεια του e μετατρέπεται σε ενέργεια φωτονίου ακτίνων Χ c Ekin ev hfmax h min Τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται με 2 μηχανισμούς: Ορισμένα e αποδίδουν όλη την ενέργεια τους σε ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων μεμονωμένων ατόμων της ανόδου τα οποία διεγείρονται Τα αποδιεγειρόμενα άτομα εκπέμπουν φωτόνια με διακριτές ενέργειες που είναι χαρακτηριστικές του υλικού της ανόδου γραμμικό φάσμα εκπομπής Ορισμένα e επιβραδύνονται σταδιακά από τα άτομα της ανόδου χάνουν ενέργεια σταδιακά (πολλές σκεδάσεις) εκπομπή φωτονίων με συνεχή κατανομή ενεργειών συνεχές φάσμα που ονομάζεται ακτινοβολία πέδησης (bremstrahlung) και είναι ανεξάρτητη του υλικού της ανόδου. 19/10/10 Page 5 of 12 19/10/10 Page 6 of 12

4 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 Η μέγιστη ενέργεια των γραμμών εκπομπής δίνεται από τη σχέση: c Ekin ev hfmax h 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-βολφράμιο) 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 ΔV (>2000eV) Μαλακές ακτίνες Χ: μικρές τιμές του ΔV ( eV) Μ Κ Κ β Ν Κ Κ γ Όπου hν(κ α )<hν(κ β )<hν(κ γ ) 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 min 19/10/10 Page 7 of 12 19/10/10 Page 8 of 12

5 Παραδείγματα γραμμικών φασμάτων Το γραμμικό φάσμα του Ne & το φάσμα του λευκού φωτός. Λυχνία Αr Λυχνία CO 2 Λυχνία Ν 2 Νόμος του Moseley (1913) Η συχνότητα των μονοχρωματικών γραμμών του φάσματος είναι: v Z b 15 ή f 2.48x10 Z 1 Hz όπου α, b σταθερές και Z ο ατομικός αριθμός. 2 Φάσμα του Ar Φάσμα του CO 2 Φάσμα του N Ισχυρή απόδειξη για την έννοια του ατομικού αριθμού 2. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ατομικού αριθμού Ζ αγνώστων πυρήνων. 3. 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). 19/10/10 Page 9 of 12 19/10/10 Page 10 of 12

6 Απορρόφηση ακτίνων Χ J J x o e [J m -2 s -1 ] Όπου J o και J η ένταση της προσπίπτουσας και διερχόμενης δέσμης, αντίστοιχα. μ ο συντελεστής απορρόφησης όπου c=σταθερά, λ το μήκος κύματος και Ζ ο ατομικός αριθμός του απορροφόντος στοιχείου τα βαρέα στοιχεία απορροφούν εντονότερα από τα ελαφρά. οι μαλακές ακτίνες Χ (μεγάλο λ) απορροφώνται εντονότερα από τις σκληρές. Αρχή λειτουργίας μέτρων προστασίας Ο συντελεστής απορρόφησης εμφανίζει μέγιστα στις ενέργειες που αντιστοιχούν σε διάφορες στάθμες του ατόμου που απορροφά & ονομάζονται ακμές απορρόφησης. Προσοχή!!! Ο συντελεστής απορρόφησης μ εξαρτάται από την πυκνότητα ρ εξαρτάται από την φάση του υλικού ορίζουμε τον συντελεστή απορρόφησης μάζης m για κάθε χημική ένωση ορίζεται μία και μοναδική τιμή του μ m Αποδεικνύεται ότι: 3 3 m c Z Οι ακμές απορρόφησης των στοιχείων Ir και Pt. Στις ενέργειες που αντιστοιχούν σε τροχιακά εμφανίζονται μέγιστα απορρόφησης. Φάσμα απορρόφησης Η 2 Ο: Το φάσμα εξαρτάται από τη δομή του υλικού. Παρατηρείστε την ομοιότητα των φασμάτων από την επιφάνεια και τον ατμό. 19/10/10 Page 11 of 12 19/10/10 Page 12 of 12