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 . 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 faliλlambda, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę,
częstotliwośćf, 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 (lub eVelektronowolt (eV)eV·s) jest stałą Plancka, – częstotliwością fali, – 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
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
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 , gdzie EIndeks dolny kk 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
Słowniczek
elektronowolt (eV)
elektronowolt (eV)
(ang.: electronvolt) jednostka energii spoza układu SI używana w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron przyspieszany w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 wolt. .
nanometr (nm)
nanometr (nm)
(ang.: nanometre) jednostka długości: .
zjawisko fotoelektryczne
zjawisko fotoelektryczne
(ang.: photoelectric effect) jedno ze zjawisk towarzyszących przechodzeniu promieniowania rentgenowskiego oraz promieniowania gamma przez materię. Polega ono na wybiciu elektronu z atomu przez foton. W rezultacie foton znika, a jego energia przekazana zostaje wybitemu elektronowi.