Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Рентгеновское излучение, возникающее в толще материала анода

рентгеновской трубки, выходит из трубки, пройдя через определенный

слой вещества материала анода. При этом рентгеновское излучение как

характеристическое, так и тормозное, ослабляется за счет двух процессов:

поглощения и рассеяния.

Скачки поглощения

В процессе поглощения рентгеновского кванта атомом рентгеновская дырка

может быть создана в различных атомных оболочках, т.е. фотоэлектрон

может быть выбит с различных уровней системы. Вклад в поглощение

некоторой оболочки q, (где q может относиться к одной из атомных

оболочек K, L, M и т.д.) определяется так называемым коэффициентом

поглощения (μm)q. Полный коэффициент поглощения определяется суммой

всех частичных коэффициентов занятых оболочек атома

μ m =(μ m)K + (μ m)L+ (μ m)M +…=∑ μq

Если энергия ε поглощаемых фотонов превосходит энергию ЕK самого

внутреннего K-уровня, т.е. ε >ЕK, и в сумме необходимо учитывать все члены.

Если ε расположена в области энергий EL<ε<EK, то фотоэффект с K-уровня

невозможен, и сумма начинается со второго ее члена.

При постепенном уменьшении ε (увеличении λ) μ m быстро растет (μ=Z4λ3),

вплоть до значения ε=ЕK, при котором плавное возрастание μ m

прекращается (рис. 8), соответствующая λ=λK характеризует границу K-

края поглощения элемента, после которой поглощение K-

оболочкой прекращается, т.е. она выключается из процесса поглощения. При

дальнейшем возрастании λ коэффициент μ m снова возрастает. При

прохождении λ значения λq, соответствующим поглощению L-оболочкой

атома, прекращается фотоэффект с соответствующей оболочки. После L-

скачка следует М-скачок и т.д. (см. рис. 8). Отношение величин

коэффициентов поглощения на границе до и после скачка называют скачком

поглощения SK =μ m(до) /μ m(после) > 1. (15) Так например, для легкого

алюминия Al (Z= 13) скачок поглощения SK ~ 12,6, для тяжелого свинца Pb

(Z= 82) SK ~ 5,4. Для электронов L-оболочки имеется три близких

уровня рентгеновских переходов, (см. рис. 1), что и обуславливает зубчатую

структуру L-края поглощения. Аналогичную структуру имеет и М-край.

Частичные коэффициенты (μ m)q для относительного q-уровня могут быть

найдены, если известны полный коэффициент поглощения μ m (14) и

скачок поглощения этого уровня (15): (μ m)q= [(Sq – 1)/Sq]μ m. (16) Для

веществ сложного состава, представляющих собой совокупность элементов,

концентрация которых Сi, массовый коэффициент поглощения может быть

найден по формуле :

μ m =∑Ci(μ m)i.

Принципы РСА

Выше были рассмотрены основные физические процессы, приводящие к

появлению рентгеновского излучения при воздействии на вещество потока

высокоэнергетических электронов либо первичных рентгеновских фотонов.

Испущенное в этих процессах рентгеновское излучение может

быть использовано для качественного и количественного анализа

химического состава исследуемого вещества. Замечательным свойством

рентгеновского характеристического излучения является явно выраженная

зависимость энергий соответствующих линий рентгеновских

переходов от порядкового номера элемента Z. Согласно закону Мозли ,

между длиной волны λ рентгеновской линии и

атомным номером Z существует соотношение

λ~ 1/Z2

Закон Мозли лежит в основе качественного РСА, так как позволяет

установить однозначную связь между измеренными длинами волн

характеристического рентгеновского спектра и его атомным номером.

Иными словами, качественный РСА состава образца заключается

в идентификации линий, испускаемых образцом, и определение по этим

линиям элементов, входящих в его состав.

Количественный РСА основан на измерении интенсивностей линий

отдельных элементов, находящихся в изучаемом образце. Ясно, что

интенсивность линии будет зависеть от количества атомов, ее испустивших, т.е. можно ожидать, что интенсивность той или иной характеристической линии будет пропорциональна концентрации соответствующего элемента:

IA ~CA,

где IA — интенсивность некоторой линии элемента А, а CA — концентрация этого элемента в образце.