Рентгеновские лучи

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

В истории физики бывало часто, что противостоящие научные течения распределялись в соответствии c национальностью физиков. Отнюдь не следует считать это проявлением национализма. Это объясняется просто научными связями, личными отношениями, применением одного и того же или аналогичного экспериментального оборудования, а также единым языком.

Поэтому не удивительно, что полуголландец-полунемец Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) приступил к экспериментальному исследованию катодных лучей, придерживаясь взглядов Ленарда, который, как и все немецкие физики того времени, защищал волновую природу катодных лучей.

Будучи чрезвычайно внимательным экспериментатором, уже прославившимся в среде физиков того времени исследованиями в различных областях (сжимаемость жидкостей, удельная теплоемкость газов, магнитное действие диэлектриков, движущихся в электростатическом поле, и т. д.), Рентген с первых же опытов заметил, что фотографические пластины, помещенные вблизи разрядной трубки и защищенные обычным образом от действия света, часто оказывались засвеченными. О действии катодных лучей здесь не могло идти речи, ибо применявшаяся катодная трубка не имела алюминиевого окошка подобно трубке Ленарда и катодные лучи наружу выйти не могли. Очевидно, речь шла о новом явлении, возникающем, как это удалось установить через несколько дней, в разрядной трубке (Годом раньше Ленард, работая с разрядной трубкой, имеющей алюминиевое окошко для выхода катодных лучей наружу, так описывает свои наблюдения, в «Annalen der Physik und Chemie» (Berlin, 1894): «Катодные лучи являются фотоактивными. При достаточно долгой экспозиции можно вполне наблюдать их действие на фотографическую пластинку. На пластинке, помещенной под листом картона, видны четко очерченные зоны почернения. Над картоном помещались различные металлические пластины, которые в зависимости от степени их проницаемости для катодных лучей казались на фотопластинке более или менее темными. Только там, где металлическая пластина имела достаточную толщину, фотопластинка оказывалась незасвеченной. Таким образом, установлено, что катодные лучи проходят сквозь картон и металлы».

Однако более критичное истолкование наблюденных явлений показало бы Ленарду, что здесь он натолкнулся на нечто новое: замеченные явления были обусловлены не катодными лучами, а рентгеновскими).

8 ноября 1895 г. в Вюрцбурге Рентген наблюдал новое поразительное явление. Если разрядную трубку обернуть черным картоном и поместить возле нее бумажный экран, смоченный с одной стороны платино-синеродистым барием, то при каждом разряде трубки на экране наблюдается флуоресцирующее свечение независимо от того, какая сторона бумаги повернута к трубке - смоченная или сухая.

В этом опыте прежде всего поражает то, что абсолютно непрозрачный для видимого излучения и ультрафиолета черный картон пропускает что-то, способное вызвать флуоресценцию экрана. Этот эффект получался не только с картоном: методически поставленная серия специальных опытов показала, что для этого агента более или менее прозрачны все тела. Точнее говоря, прозрачность убывает c увеличением плотности тела и его толщины.

«Если держатпъ руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки» (W. С. Rоntgen, Uber eine neue Art von Strahlen, Sitzungsberichte der Wurzburger Physik-Med. Gesellschaft, 1895. (Есть русский перевод: В. Рентген, О новом роде лучей, М. -Л., 1933.)).

Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.

Эти новые агенты, которые были названы Рентгеном для краткости Х-лучами («Причина, - поясняет Рентген в той же работе, - по которой я считаю себя вправе назвать «лучами» агент, испускаемый стенками разрядной трубки, заключается отчасти в образовании правильной тени при помещении между трубкой и флуоресцирующим экраном (или фотографической пластинкой) более или менее прозрачного тела»), а мы их называем сейчас рентгеновскими лучами, вызывали флуоресценцию не только платино-синеродистого бария, но и других веществг например фосфоресцирующих соединений кальция, уранового стекла, обычного стекла, известкового шпата, каменной соли и др. Они действуют также на фотопластинки, но не действуют на глаз человека.

Было неясно, преломляются ли эти лучи. Рентген не обнаружил преломления в призмах из воды и сероуглерода. Некоторые признаки преломления, как ему показалось, были замечены в опытах с эбонитовыми и алюминиевыми призмами. Опыты с мелким порошком каменной соли, с серебряным порошком, полученным электролитическим методом, и с цинковым порошком не обнаружили никакого различия в прохождении Х-лучей через порошок и через сплошной образец того же вещества. Отсюда можно было сделать вывод, что Х-лучи не испытывают ни преломления, ни отражения и что отсутствие этих явлений подтверждается тем, что Х-лучи невозможно сконцентрировать линзами.

Х-лучи возникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом трубки. Действительно, отклоняя магнитом катодные лучи внутрь трубки, можно заметить одновременное смещение точки образования Х-лучей, всегда совпадающей с точкой, где кончаются катодные лучи. Для образования этого нового излучения не обязательно, чтобы катодные лучи соударялись именно со стеклом: это явление наблюдается и в разрядной трубке, изготовленной из алюминия.

Природа этого нового излучения оставалась загадочной. Одно было ясно - излучение это нельзя отождествлять с катодными лучами. Как и катодные лучи, оно вызывало флуоресценцию, оказывало химическое воздействие, распространялось прямолинейно и, следовательно, образовывало тени. Но Х-лучи не обладали характерным свойством катодных лучей - не отклонялись магнитным полем. Может быть, они той же природы, что и ультрафиолетовое излучение? Но тогда они должны были бы заметно отражаться, преломляться, поляризоваться. Учитывая наличие определенного сходства между Х-лучами и световыми, можно было предполагать, что в отличие от видимого излучения, которое есть не что иное, как поперечные колебания эфира, Х-лучи являются продольными колебаниями. Не могут ли оказаться Х-лучи проявлением этих продольных колебаний эфира, существование которых физикам до сих пор не удавалось установить?

Этим вопросом, повторяющим попытку объяснения природы катодных лучей, заканчивается первая работа Рентгена об Х-лучах, доложенная в декабре 1895 г. в Физическом институте Вюрцбургского университета.

Во второй работе, доложенной 5 марта 1896 г., содержалось два новых существенных факта. Первый был открыт Аугусто Риги, который едва ли знал об опытах Рентгена: под действием Х-лучей наэлектризованные тела разряжаются. Действуют не сами Х-лучи, а пронизываемый ими воздух, который приобретает свойство разряжать наэлектризованные тела. Вторым важным фактом, упомянутым еще в первой работе Рентгена, было то, что Х-лучи получаются при попадании катодных лучей не только на стекло разрядных трубок, но и на любое тело, не исключая жидкостей и газов. В зависимости от природы тела, на которое попадают катодные лучи, интенсивность получающегося Х-излучения оказывается различной. Эти наблюдения привели Рентгена уже в феврале 1896 г. к разработке трубки «фокус», в которой «катодом служит вогнутое зеркало из алюминия», а анодом - платиновая пластинка, помещенная в центре кривизны зеркала и наклоненная под углом 45° к оси зеркала. До появления термоэлектронных приборов трубки «фокус» были единственными установками для получения рентгеновских лучей при медицинских и физических исследованиях.

Новое открытие, о возможности применения которого в медицине и хирургии вскоре стали догадываться, взволновало не только ученых, но и широкую публику. Физические лаборатории осаждались врачами и больными. На бесчисленных публичных выступлениях с демонстрацией опытов вид скелета живых людей производил сильное впечатление и вызывал даже истерики среди присутствовавших. Рентген способствовал быстрому распространению своего открытия, со свойственным ему бескорыстием отказавшись от всякой возможности извлечь из него прибыль. Этот всеобщий интерес в немалой мере способствовал быстрому прогрессу рентгенотехники. В нашу задачу не входит рассмотрение ее развития. Достаточно, пожалуй, одной лишь цифры, чтобы дать представление о пройденном пути: в 1896 г. рентгенография руки требовала экспозиции 20 минут, сейчас для этого достаточно ничтожной доли секунды.

Открытие рентгеновских лучей привело к необычайно важным последствиям как в области научных исследований, так и в области практических приложений-в медицине и в промышленности. Можно, пожалуй, без преувеличения сказать, что с этого изобретения начинается новая история.

10 декабря 1901 г. в большом зале Музыкальной академии в Стокгольме в присутствии наследного принца Швеции, представлявшего короля, комитет по присуждению Нобелевских премий в знак признательности ученых и человечества присудил Рентгену первую Нобелевскую премию до физике (Альфред Бернард Нобель (родился 21 октября 1833 г. в Стокгольме, умер 10 декабря 1896 г. в Сан-Ремо) посвятил себя исследованию взрывчатых веществ. В 1867 г. он получил патент на производство динамита, как удачно назвал он смесь нитроглицерина с инертными веществами. В 1876 г. он получил патент на другое взрывчатое вещество - нитрожелатин, а в 1889 г. - на баллистит. Эксплуатация этих патентов и нефтераз-работок в Баку принесла ему громадное состояние, которое, согласно завещанию, он посвятил учреждению трех международных ежегодных премий, предназначенных для лиц, совершивших наиболее крупные открытия соответственно в области физики, химии и физиологии или медицины. Он установил также одну премию по литературе и одну премию мира. Присуждение премий началось в 1901 г. и происходит ежегодно 10 декабря, в день смерти Нобеля. Нобелевская премия стала высоким и почетным знаком отличия в мировой науке. Обычно лауреаты читают лекцию о своих работах. Сборники Нобелевских лекций, издаваемые из года в год, позволяют проследить эволюцию физики нашего-столетия). Теперь может показаться символичным, что впервые столь почетный международный знак отличия был присужден именно за открытие рентгеновских лучей.

ПРИРОДА РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

По мере того как область применения рентгеновских лучей расширялась, исследование их происхождения и их природы становилось все более насущной необходимостью теоретической физики.

Первое объяснение происхождения рентгеновских лучей, данное самим Рентгеном, было вскоре принято единодушно: рентгеновские лучи возникают при соударении катодных лучей, т. е. электронов, с телами, в частности с антикатодом разрядной трубки.

Но какова их природа? Гипотеза Рентгена о том, что это продольные волны, была неприемлема по ряду причин. Нельзя было также согласиться с выдвигавшейся первое время гипотезой о корпускулярном характере рентгеновского излучения. Согласно электромагнитной теории, быстрое изменение скорости заряженного тела вызывает электромагнитное излучение, так что если принять, что причиной рентгеновских лучей является резкое торможение электронов на антикатоде (а такое предположение кажется необходимым), то мы приходим к заключению, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но как же тогда объяснить, что для рентгеновских лучей не удается наблюдать обычных оптических явлений - отражения, преломления, поляризации, дифракции? На это отвечали так: электромагнитное возмущение, возникающее при соударении электронов с антикатодом, не является периодическим; отсутствие периодичности, т. е. отсутствие определенной длины волны, могло бы объяснить аномальное поведение рентгеновских лучей по сравнению с обычными электромагнитными волнами. За неимением лучшего вплоть до 1912 г. физики удовлетворялись таким объяснением.

Однако многие физики обращали внимание на то, что для объяснения отрицательных результатов попыток наблюдения обычных оптических явлений в опытах с рентгеновскими лучами совсем не обязательно лишать электромагнитное возмущение волнового характера, при котором оно сходно со световыми волнами. Достаточно положить длину волны рентгеновских лучей чрезвычайно малой, чтобы объяснить все особенности их поведения.

Это легко понять из аналогии со звуком, часто применявшейся в учебных целях в первом десятилетии нашего века. Звуковые волны, длина волны которых изменяется от долей сантиметра до 20 м и более, отражаются от тел достаточно больших размеров, например от стены. А от тел малых размеров, скажем от вертикального столба в поле, они не отражаются. Это объясняется тем, что в образовании отраженной волны должно участвовать большое число элементарных волн, исходящих из всех точек препятствия, на которые падает волна. Как из того факта, что звуковая волна не отражается от отдельного столба, нельзя делать вывода об отсутствии периодичности в волне, так и из того, что нет или не обнаружено отражения рентгеновских лучей, нельзя делать вывода о том, что они не имеют волновой структуры. Достаточно было бы положить длину волны рентгеновских лучей меньше расстояния между молекулами вещества, чтобы каждая молекула вела себя как отдельный вертикальный столб в случае звуковой волны, так что не было бы никакого отражения, а была бы лишь дифракция рентгеновских лучей.

Модели структур кристаллов по У. Брэггу

Физики, придерживавшиеся этой точки зрения, естественно, пытались обнаружить не отражение, а дифракцию рентгеновских лучей на чрезвычайно тонких щелях, что диктовалось предполагаемой малостью длины волны рентгеновских лучей.

Но искусственно сделанные щели, как бы тонки они ни были, оказывались слишком грубыми, да и ясно было, что едва ли можно найти механический способ нанесения штрихов, удаленных на расстояние порядка молекулярных размеров. Но вот молодому немецкому физику Максу Лауэ (1879-1959), ученику Макса Планка, пришла в голову смелая идея. Была известна старая теория строения кристаллов, восходящая еще к Агсй. Эта теория, исходя из характерного явления регулярного отслоения кристаллов, принимала, что кристаллы образуются совокупностью тесно примыкающих чрезвычайно малых частиц в форме параллелепипеда, названных Аюй «интегрирующими молекулами». Позднее Л. Зеебер (1835 г.), Г. Делафосс (1843 г.) и в наиболее цельной форме А. Браве (1849-1851 гг.) модернизировали представления Аюк, заменив «интегрирующие молекулы» точечными молекулами, расположенными на постоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга во вполне регулярном каркасе.

Дифракция рентгеновских лучей. (M.Laue, Ueber die Auffindung der Roentgenstrahl-Interferenzen, Les Prix Nobel, 1914-1918.)

Если кристалл действительно обладает структурой, предполагаемой Браве, то он должен вести себя как дифракционная решетка, или, вернее, как совокупность дифракционных решеток с параллельными плоскостями, т. е. пространственная решетка, как ее называют. Если бы была установлена дифракция рентгеновских лучей на кристаллах, то одновременно были бы, так сказать, убиты два зайца: доказана волновая природа рентгеновских лучей и дано экспериментальное подтверждение гипотезе Браве о строении кристаллов.

Разработав количественную теорию этого явления, Лауэ провел соответствующий опыт в Мюнхене совместно с Паулем Книппингом (1883-1935) и Вальтером Фридрихом (род. в 1883 г.). Примененная для эксперимента установка была довольно простой: определенное количество параллельных свинцовых пластинок защищало небольшой кристалл (например, каменной соли) от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во всех свинцовых пластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные по одной прямой. Проходя эти отверстия, пучок рентгеновских лучей попадал на кристалл и далее проходил на фотопластинку, защищенную черной бумагой от стороннего облучения. После нескольких часов экспозиции пластинка была проявлена. Было обнаружено темное пятно на линии центров отверстий в свинцовых пластинах, обусловленное прямым действием рентгеновских лучей, и большое число других пятен различной интенсивности, расположенных регулярным образом вокруг центрального пятна, в соответствии с симметрией кристалла.

Этот опыт вскоре был повторен многими физиками в различных вариантах и всесторонне проанализирован. Все это привело к заключению, что получающиеся на фотопластинках фигуры действительно представляют собой дифракционные картины. На основе полученных результатов Брэгги (отец и сын) предложили модификацию теории Браве, предположив, что в узлах кристаллической решетки располагаются атомы кристалла, на которых и происходит дифракция. Ясно, что принятие физиками теории Брэггов привело к коренному изменению традиционного представления о молекуле. Мы не можем здесь входить в детали теории Лауэ и обсуждать многочисленные теоретические и экспериментальные следствия из нее. Достаточно отметить лишь два обстоятельства: исследование дифракционных фигур позволяет определить длину волны применяемого рентгеновского излучения, а зная длину волны, можно получить сведения о структуре кристалла. Длины волн рентгеновских лучей оказались в среднем в тысячу раз меньше средней длины волны видимого света, т. е. намного короче длин волн ультрафиолетового излучения. Рентгеновские лучи тоже дают целый спектр волн, аналогичный спектру видимого излучения.

Возникновение и свойства рентгеновского излучения

Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода - катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. От обычной радиолампы (диода) рентгеновскую трубку отличает, в основном, более высокое ускоряющее напряжение (более 1 кВ).

Когда электрон вылетает из катода, электрическое поле заставляет его лететь по направлению к аноду, при этом скорость его непрерывно возрастает, электрон несет магнитное поле, напряженность которого растет с ростом скорости электрона. Достигая поверхности анода электрон резко тормозится, при этом возникает электромагнитный импульс с длинами волн в определенном интервале (тормозное излучение). Распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от материала анода рентгеновской трубки и приложенного напряжения, при этом со стороны коротких волн эта кривая начинается с некоторой пороговой минимальной длины волны, зависящей от приложенного напряжения. Совокупность лучей со всеми возможными длинами волн образует непрерывный спектр, и длина волны, соответствующая максимальной интенсивности, в 1,5 раза превышает минимальную длину волны.

При увеличении напряжения рентгеновский спектр резко меняется за счет взаимодействия атомов с высокоэнергетичными электронами и квантами первичных рентгеновских лучей. Атом содержит внутренние электронные оболочки (энергетические уровни), количество которых зависит от атомного номера (обозначаются буквами K, L, М и т.д.) Электроны и первичные рентгеновские лучи выбивают электроны из одних энергетических уровней на другие. Возникает метастабильное состояние и для перехода к стабильному состоянию необходим перескок электронов в обратном направлении. Этот скачок сопровождается выделением кванта энергии и возникновением рентгеновского излучения. В отличие от рентгеновских лучей с непрерывным спектром, у этого излучения очень узкий интервал длин волн и высокая интенсивность (характеристическое излучением) (см. рис.). Количество атомов, определяющих интенсивность характеристического излучения, очень велико, например, для рентгеновской трубки с медным анодом при напряжении 1 кВ токе 15 мА за 1 с характеристическое излучение дают 1014-1015 атомов. Эта величина вычисляется как отношение общей мощности рентгеновского излучения к энергии кванта рентгеновского излучения из К-оболочки (К-серия рентгеновского характеристического излучения). Общая мощность рентгеновского излучения при этом составляет всего 0,1% от потребляемой мощности, остальная часть теряется, в основном, за счет перехода в тепло.

Рентгеновские лучи в технике

Глаз человека приспособлен к восприятию лишь световых солнечных лучей. Другие известные науке лучи - тепловые (инфракрасные) и ультрафиолетовые, которые поступают на нашу планету вместе со световыми, а также рентгеновские и гамма-лучи, радиоволны - относятся к невидимым лучам. Как видимые, так и невидимые лучи по своей природе представляют электромагнитные волны, различающиеся между собой в основном по длине. Самыми длинными являются радиоволны (от 0,1 миллиметра до 2 тысяч метров), наиболее короткими - рентгеновские и гамма-лучи. Последние по своим свойствам и длине волн вполне аналогичны друг другу и отличаются не физической природой, а методом получения. В то время как гамма-лучи возникают в процессе так называемого распада радиоактивных веществ, рентгеновские лучи образуются при бомбардировке какого-либо тела электронами или рентгеновскими же лучами.

Рентгеновские лучи получают в специальных разрядных трубках, внутри которых размещаются два электрода: отрицательный (катод), в виде вольфрамовой нити, и положительный (анод), представляющий собой пластинку, установленную под определенным углом к нити. При прохождении по катоду электрического тока нить раскаляется, движущиеся с огромной скоростью электроны вылетают из нее и устремляются к аноду. Бомбардировка анода электронами и вызывает появление электромагнитных волн. При торможении электронов возникают рентгеновские лучи, состоящие из набора разных длин волн. Это излучение с оптической точки зрения часто называют белым рентгеновским светом. Ибо обычный видимый свет также состоит из набора разных волн, хотя и гораздо более длинных, чем у рентгеновских лучей.

Длина рентгеновских лучей зависит от скорости движения электронов, а скорость - от величины анодного электрического напряжения. Чем меньше напряжение, тем больше длина волны, тем мягче лучи. И наоборот, с увеличением напряжения уменьшается длина волн, возрастает жесткость лучей. Длина волн рентгеновских лучей измеряется ангстремами. Ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра. Наиболее длинноволновые рентгеновские лучи (около 1300 ангстрем) были получены в 1927 году советскими учеными академиком П. И. Лукирским и профессором С. И. Прилежаевым.

Однако рентгеновские лучи с длиной волны более двух ангстремов сильно поглощаются в воздухе и поэтому почти не находят применения на практике. Так же мало используются и лучи с очень короткими длинами волн. Наибольшее распространение в технике и науке получили рентгеновские лучи с длинами волн от 2 до примерно 0,05 ангстрема. Благодаря своим замечательным свойствам они широко используются для просвечивания различных тел и изучения их строения, для исследования структуры веществ и их химического состава. В этой статье мы кратко раскажем о состоянии и успехах основных областей рентгенографии в технике.

Рентгеновское просвечивание

Рентгеновский луч, проходя сквозь различные вещества, поглощается ими не в одинаковой степени. На этом свойстве и основано так называемое рентгеновское просвечивание, или, как часто говорят, рентгеновская дефектоскопия. Чем плотнее вещество, чем больше его атомный номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, тем выше его поглощающая способность по отношению к рентгеновским лучам. С другой стороны, это поглощение зависит и от проникающей способности самих лучей, или их жесткости. Чем толще объект и чем выше его атомный номер, тем большее напряжение надо приложить к трубке.

Поместим кусок металла на пути рентгеновских лучей. Если предмет не вполне однороден и в нем есть пустоты (например, усадочные раковины, газовые пузыри) или трещины, включения (например, шлаковины), то при просвечивании лучи в этих дефектах поглощаются меньше, чем в основном материале. В результате на фотопленке, помещенной за предметом, получается изображение этих дефектов в виде темных точек, линий или пятен. Так по рентгеновскому снимку можно судить о степени однородности отливки, о качестве сварного шва и т. п. На этом же принципе основывается применение рентгеновских лучей в медицинской диагностике. Однако объекты, с которыми приходится иметь дело в этом случае, значительно меньше поглощают рентгеновские лучи и более контрастны.

Рентгеноскопия металлов получила на советских заводах широкое распространение. Применяемые обычно установки позволяют просвечивать слой стали толщиной примерно до 70 миллиметров. Для просвечивания более толстых кусков металла используются специальные высоковольтные рентгеновские установки или же гамма-лучи радиоактивных веществ, при помощи которых удается просвечивать металл толщиною до 300 миллиметров. Но так как гамма-лучи мало поглощаются в металле (благодаря чему и удается просвечивать такие толстые изделия), то четкость снимков и возможность выявления дефектов оказываются значительно меньшими, чем при рентгеноскопии. В СССР введен обязательный рентгеновский контроль сварных швов во многих изделиях. Тщательные рентгеносъемки делаются, например, при изготовлении паровых котлов, деталей самолетов, боковых обшивок корабля и т. д. Рентгеновское просвечивание является, таким образом, одним из важных средств в борьбе за повышение качества продукции на промышленных предприятиях нашей страны.

Рентгено-структурный анализ

Если пропустить пучок рентгеновских лучей сквозь какое-либо кристаллическое вещество, то он рассеивается на атомах решетки. Картина дифракции (рассеивания) лучей, сфотографированная на фотопленке, составляет рентгенограмму кристалла. Исследование вида, расположения и яркости отдельных отражений позволяет определить способ расположения в решетке кристаллообразующих частиц (атомов, ионов, молекул), характер неправильностей, имеющихся в решетке, и т. п. На основе рентгенограммы и закона построения кристаллов, открытого выдающимся русским ученым Е. С. Федоровым, а также специальных математических вычислений можно определить атомную структуру исследуемого тела.

При рентгено-структурном анализе применяются трубки особой конструкции, являющиеся источником рентгеновских лучей определенной длины волн. Для получения рентгенограммы необходимо вращать кристалл при съемке, или пользоваться порошком из большого количества мелких кристалликов, или, наконец, применять излучение, из набора разных длин волн с белым рентгеновским светом. Каждый из этих методов съемки может быть применен при рентгено-структурном анализе. Изучение атомной структуры металлов, состоящих, как известно, из большого числа мелких кристалликов, особенно удобно производить с помощью метода порошков. В качестве образца часто берется металлическая проволока, устанавливаемая в камере для съемки.

Рентгено-структурный анализ применяется при изготовлении металлических изделий, проковке металла и других способах термической или механической обработки деталей, а также во многих иных случаях, когда необходимо изучение структуры тела.

Рентгено-спектральный анализ

При бомбардировке электронами какого-либо вещества возникают не только лучи, связанные с торможением электронов, но и излучение определенных длин волн. Это излучение состоит из нескольких групп линий, называемых сериями. Для атомов каждого вещества длины всех этих волн характерны и определенны. Поэтому самое излучение называется характеристическим. Чтобы установить наличие какого-либо элемента в химическом соединении, достаточно измерить длины волн характеристических лучей, испускаемых при бомбардировке его атомов электронами (или жесткими рентгеновскими лучами). Таким образом, при помощи рентгеновских лучей можно провести химический анализ, то есть определить состав атомов изучаемого вещества.

Установка для рентгено-спектрального анализа состоит из двух основных частей: разборной трубки и особого прибора - спектрографа. На анод рентгеновской трубки наносится анализируемое вещество. При бомбардировке в вакууме этого вещества электронами возбуждается характеристическое рентгеновское излучение его атомов. Длины волн различных линий характеристических рентгеновских лучей измеряются с помощью спектрографа. В конструкции автора этот прибор состоит из следующих основных частей: щели, выделяющей узкий пучок рентгеновских лучей; кристалла, за счет отражения от которого получается рентгеновский спектр; кассеты для рентгенопленки, на которой фиксируются линии спектра. Далее, спектрограф снабжен еще механизмом для качания кристалла, благодаря чему рентгеновские лучи падают на него под разными углами и разлагаются в спектр.

Получив рентгеновский спектр, определяют для всех его линий угол скольжения лучей относительно отражающей плоскости кристалла. Это позволяет математически вычислить длину волны рентгеновских лучей каждой из линий. Затем по таблицам находят, каким элементам соответствуют линии с измеренной длиной волны. Таким образом выявляются элементы вещества, испускающего рентгеновские лучи, и проводится его качественный рентгено-спектральный анализ. Вполне возможно также осуществить количественный рентгено-спектральный анализ, то есть установить количественное соотношение элементов, из которых состоит исследуемый предмет.

Рентгено-структурный и рентгено-спектральный анализы являются эффективными способами изучения атомной структуры и химического состава вещества, особенно в тех случаях, когда неприменимы другие физико-химические методы. Так, например, только благодаря применению рентгенографии удалось открыть структурные формулы кремнекислородных соединений, лежащих в основе силикатов.

Рентгеновская микроскопия

В настоящее время находят применение на практике два способа рентгеновской микроскопии: контактный и диффракционный. При контактном методе съемки изучаемый предмет в виде тонкой пластинки (0,05-0,15 миллиметра) просвечивается пучком рентгеновских лучей. Изображение воспроизводится на фотопластинке, находящейся в непосредственной близости от объекта, и затем рассматривается с помощью обычного микроскопа.

рентгеновский излучение микроскопия

Увеличение (линейное) зависит от сорта применяемых фотопластинок и не превышает 400. Для получения контрастного изображения при съемке пластинку резко передерживают (в 30 раз по сравнению с обычным временем экспозиции), а затем сильно недопроявляют. При этом применяются специальные сорта малозернистых проявителей, лучше всего парафенилен-диаминовые.

Этот метод позволяет наиболее эффективно изучить составные части металлических сплавов, особенно крупнокристаллических, ясно различать в них элементы, отличающиеся всего на один атомный номер. Этот способ используется и в биологии. С его помощью можно, например, изучить отложение того или иного неорганического вещества в органической ткани, например, отложение соли в стенках сосудов при склерозе, и т. п.

Другой метод - так называемая диффракционная рентгеновская микроскопия - был разработан автором настоящей статьи в 1938-1939 годах. При этом способе используется параллельный пучок рентгеновских лучей, падающий на кристалл под определенным углом. Фотографическая пластинка располагается близко к изучаемой поверхности. Распределение почернения на пластинке будет зависеть от структуры поверхности. Правильный кристалл, например, даст линию с уменьшающейся интенсивностью к краям, а кристалл с нарушенной решеткой - более или менее своеобразное искажение картины. Для исследования возможно большей поверхности следует иметь рентгеновскую трубку с размытым фокусом. Наибольшее сходство картины отражения с поверхностью кристалла достигается путем расположения пластинки параллельно или почти параллельно кристаллу. Максимальная интенсивность изображения достигается при прохождении пучка рентгеновских лучей через широкую щель.

Подобная установка была применена нами (совместно с Вайнштейном и Флеровой) для изучения плоского кристалла, а также изогнутого кристалла.

Размещено на Allbest.ru