Warto przeczytać

Promieniowanie rentgenowskie to rodzaj fal elektromagnetycznych o długościach fal większych niż promieniowanie gamma, a mniejszych niż promieniowanie ultrafioletowe.

Zostało ono odkryte przez niemieckiego fizyka Wilhelma Conrada Roentgena w 1895 roku. Promieniowanie, które odkrywca nazwał promieniami X, nazywane jest obecnie promieniowaniem rentgenowskim.

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, którego prędkość w próżni jest stała i wynosi $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$. Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać jako zbiór cząstek – fotonów, poruszających się z prędkością światła, c, oraz jako falę, którą charakteryzują parametry falowe takie, jak:

• długość fali λlambda, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę,

• częstotliwość f, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz).

Długość i częstotliwość fali są wielkościami odwrotnie proporcjonalnymi:

Natomiast energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości fali i wynosi:

gdzie $h=6,6·{10}^{-34}J·s$ (lub $h=4,14·{10}^{-15}$eVelektronowolt (eV)eV·s) jest stałą Plancka, $f$ – częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali.

Długość fali promieniowania rentgenowskiego mieści się w zakresie od około 0,01 nmnanometr (nm)nm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z zakresem promieniowania gamma (długość fali mniejsza od 0,1 nm) (Rys. 1.).

Rc6Zm9ErR3tMZ

Rys. 1. Całą szerokość rysunku zajmuje sinusoida, obrazująca fale elektromagnetyczne. Sinusoida od lewej strony ma duże odstępy między maksimami. W miarę zbliżania się do prawej strony odstępy te robią się coraz mniejsze – linie sinusoidy zagęszczają się. Pod sinusoidą znajduje się pozioma oś skierowana w prawo z napisem częstotliwość z jednostką Hertz. Częstotliwość rośnie od lewej do prawej strony. Najmniejsza wartość częstotliwości to 10 do potęgi czwartej Hertzów, największa wartość to 10 do potęgi dwudziestej Hertzów. Nad sinusoidą znajduje się pozioma oś skierowana w lewo z napisem długość fali z jednostką metr. Długość fali rośnie od prawej do lewej strony. Najmniejsza wartość długości fali to 10 do potęgi minus 16 metrów (po prawe), największa wartość to 3 razy 10 do potęgi czwartej metrów (po lewej). Poziomymi odcinkami zaznaczone są zakresy fal elektromagnetycznych. Od lewej strony są to: fale radiowe do około 3 km, mikrofale od 0,03 mm do 1 m, podczerwień od 790 nm do 0,03 mm, światło widzialne od 390 do 790 nm, nadfiolet od 5 do 390 nm, promienie Roentgena 1pm do 10 nm, promienie gamma od 0,03 do 300 pm.

Rozróżnia się je na podstawie źródła promieniowania: promieniowanie gamma emitowane jest przez jądra atomowe, a promieniowanie rentgenowskie w zderzeniach wysokoenergetycznych elektronów z atomami. Rozróżniamy dwa mechanizmy emisji promieniowania rentgenowskiego.

1. Mechanizm związany ze zjawiskiem emisji fali elektromagnetycznej przez naładowaną cząstkę poruszającą się z przyspieszeniem.

Gdy elektron o dużej energii kinetycznej porusza się w materii, jest hamowany przez pole elektryczne jąder atomowych. Gwałtownej zmianie energii kinetycznej elektronów towarzyszy emisja fotonów promieniowania rentgenowskiego, które unoszą energię kinetyczną straconą przez elektrony. Promieniowanie to nazywamy promieniowaniem hamowania (Rys. 2.).

RcW1X001SPqBy

Rys. 2. Na rysunku jest kółko symbolizujące jądro atomowe oraz linia przedstawiająca tor poruszającego się elektronu. Początkowo tor jest poziomą linią położoną kilka centymetrów nad jądrem. Strzałka wskazuje ruch elektronu w prawo, a jego energia oznaczona jest jako wielka litera E z indeksem dolnym jeden. W pobliżu jądra tor zakrzywia się w dół i staje się łukiem, w którego środku leży jądro. Po minięciu jądra elektron porusza się na ukos w dół i w prawo, a jego energia oznaczona jest jako wielka litera E z indeksem dolnym dwa. Falista linia symbolizująca wyemitowany foton skierowana jest w prawo w górę. Zapisane jest przy niej równanie: stała Plancka mała litera h pomnożona przez częstotliwość fali mała litera f równa się energia początkowa elektronu wielka litera E z indeksem dolnym jeden minus energia końcowa elektronu wielka litera E z indeksem dolnym dwa.

Elektrony wpadające do anody, tracą stopniowo energię kinetyczną w kolejnych zderzeniach z atomami, wypromieniowując fotony o różnych, przypadkowych energiach. Widmo promieniowania hamowania jest więc widmem ciągłym – energie fotonów przybierają wszystkie wartości z zakresu nie przekraczającego pewnej maksymalnej wartości. Foton o maksymalnej energii emitowany jest wtedy, gdy elektron straci całą energię w jednym procesie zderzenia. Maksymalna energia fotonu wynosi więc $hf=E_k$, gdzie EIndeks dolny k_k jest energią kinetyczną elektronu, który uległ zahamowaniu.

W zjawisku tym mamy do czynienia z kreacją fotonu, odwrotnie niż w zjawisku fotoelektrycznymzjawisko fotoelektrycznezjawisku fotoelektrycznym, w którym foton promieniowania rentgenowskiego, zderzający się z atomem, znika, a swoją energię przekazuje elektronowi z głębokiej powłoki elektronowej, który zostaje wyrzucony z atomu z dużą energią kinetyczną.

2. Mechanizm emisji promieniowania rentgenowskiego związany z jonizacją i wzbudzaniem atomów przez elektrony.

Rozpędzone elektrony, poruszające się w materii, mogą wybijać elektrony z głębszych powłok elektronowych atomów. Na wolne miejsca przeskakują elektrony z wyższych powłok, czemu towarzyszy emisja fotonów o energii dokładnie równej różnicy między energiami poziomów energetycznych atomu (Rys. 3.). Energie tak emitowanych fotonów leżą w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Jest to widmo liniowe, charakterystyczne dla atomów, wchodzących w skład danej substancji. Emisję tego promieniowania nazywamy fluorescencją rentgenowską.

R1CmbkCIJsc4L

Rys. 3. Rysunek przedstawia model dużego atomu. W środku jest kropka symbolizująca jądro atomowe. Kropkę otaczają trzy okręgi symbolizujące pierwsze trzy poziomy energetyczne elektronów w atomie. Okręgi mają coraz większe promienie. Za trzecim okręgiem narysowane są trzy kropki i dalej największy, czwarty okrąg narysowany przerywaną linią, co ma symbolizować, że poziomów energetycznych jest dużo więcej niż zmieści się na rysunku. Przy okręgach są napisy oznaczające wartość energii elektronu. Przy okręgu o najmniejszym promieniu jest napis wielka litera E z indeksem dolnym jeden, przy następnym napis wielka litera E z indeksem dolnym dwa, przy trzecim z kolei napis wielka litera E z indeksem dolnym trzy. Między okręgami są dwie strzałki skierowane do środka okręgu. Pierwsza strzałka ma początek na okręgu drugim a koniec na okręgu pierwszym. Odchodzi od niej falista linia symbolizująca wyemitowany foton. Zapisane jest przy niej równanie: stała Plancka mała litera h pomnożona przez częstotliwość fali mała litera f równa się energia początkowa elektronu wielka litera E z indeksem dolnym dwa minus energia końcowa elektronu wielka litera E z indeksem dolnym jeden. Druga strzałka ma początek na okręgu trzecim a koniec na okręgu pierwszym. Odchodzi od niej falista linia symbolizująca wyemitowany foton. Zapisane jest przy niej równanie: stała Plancka mała litera h pomnożona przez częstotliwość fali mała litera f równa się energia początkowa elektronu wielka litera E z indeksem dolnym trzy minus energia końcowa elektronu wielka litera E z indeksem dolnym jeden.

Słowniczek