Dawid Makuła gr. 203
MATERIAŁOZNAWSTWO
Laboratorium
Rentgenografia strukturalna
Promieniowanie rentgenowskie.
Promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku hamowania cząstek naładowanych przez materię (tzw. promieniowanie hamowania) lub w rezultacie przejścia elektronów w atomach (zjonizowanych w powłoce wewn., np. przez bombardowanie materii elektronami) z poziomów o wyższej energii na poziomy o energii niższej (tzw. promieniowanie charakterystyczne, rentgenowskie widmo). Źródłem promieniowania rentgenowskiego są różnego rodzaju lampy rentgenowskie, pierwiastki promieniotwórcze, akceleratory cząstek, a także wiele ciał niebieskich. Promieniowanie rentgenowskie dzieli się na: promieniowanie rentgenowskie miękkie, o większej długości fali, mniej przenikliwe, i promieniowanie rentgenowskie twarde, o mniejszej długości fali, bardziej przenikliwe. Podczas przechodzenia przez materię promieniowanie rentgenowskie jest absorbowane i rozpraszane; ulega dyfrakcji, interferencji, polaryzacji, załamaniu i całkowitemu odbiciu; powoduje zaczernienie emulsji fot., wywołuje jonizację gazów, fluorescencję i fosforescencję niektórych substancji, reakcje fotochem. i zmiany w komórkach organizmów (mutacja). Jest niewidzialne dla ludzkiego oka, wykrywa się je i bada m.in. za pomocą ekranu luminescencyjnego, błon fotograficznych, czy liczników: Geigera–Müllera.
Natura promieni Roentgena przez długi czas była nie zbadana. Nie można ich było zaliczyć do promieni korpuskularnych, a uzyskanie interferencji fal tego promieniowania za pomocą siatki dyfrakcyjnej było niemożliwe. Dopiero w roku 1912 udało się uzyskać interferencję promieni Roentgena wykorzystując jako siatkę dyfrakcyjną naturalny układ atomów w sieci krystalicznej kryształów.
Dzisiaj wiadomo, że ogólnie znane i powszechnie stosowane promienie Roentgena, rozchodzą się w postaci niewidzialnych fal elektromagnetycznych, których długości zawierają się w przedziale od do (0,001 - 10 []).
Widmo ciągłe
Promieniowanie rentgenowskie o widmie ciągłym zwane także promieniowaniem hamowania (elektronów swobodnych na elektronach związanych) powstaje w wyniku hamowania na antykatodzie elektronów o energiach mniejszych od pewnej energii charakterystycznej dla danego materiału antykatody. Istnieje więc graniczna, minimalna długość fali (charakterystyczna dla danego materiału) jaką uzyskuje promieniowanie ciągłe (wywołane hamowaniem elektronów przyspieszanych określonym napięciem). Jest ona równa:
Maksymalna energia kwantu promieniowania odpowiada energii kinetycznej elektronu, ta zaś równa jest iloczynowi napięcia przyśpieszającego oraz ładunku elektronu:
Emax= e · U
Widmo liniowe
Mechanizm powstawania linii widma charakterystycznego można wytłumaczyć teorią Bohra W atomach o dużej liczbie atomowej Z powłoki wewnętrzne K (pierwsza powłoka przy jądrze, główna liczba kwantowa n=1), L (n=2), M(n=3) i dalsze są całkowicie wypełnione elektronami. Jeżeli na jednej z nich powstaje puste miejsce (np. wskutek wyhamowania elektronu o bardzo dużej energii), jest ono zajmowane natychmiast przez któryś z elektronów leżących na powłokach dalszych od jądra. Jeśli przejście następuje z wyższej powłoki na powłokę K mówimy o linii K widma rentgenowskiego, przy czym jeśli przejście nastąpiło z powłoki kolejnej, czyli L, linię nazywamy , jeśli przejście nastąpiło z M na K to powstaje linia , jeśli z powłoki M na L to linia itd. .
W wyniku oddziaływania z elektronami atomów anody, przy odpowiednio dużej energii padającego elektronu, następuje wzbudzenie atomu, tj. przeniesienia elektronu atomu na wyższe poziomy energetyczne. W wyniku powrotu elektronu na niższy poziom energetyczny wytwarzane jest promieniowanie o ściśle określonej energii - powstaje widmo monochromatyczne. Długości fali tego promieniowania odpowiada iloczynowi stałej Plancka i prędkości światła podzielonej przez różnicę energii tych poziomów.
= h ·c / ( E2 - E1 )
Stwierdzono, że długości te jednoznacznie związane są z materiałem anody (odzwierciedlają strukturę powłoki elektronowej danego atomu), stąd widmo to nazywa się widmem charakterystycznym. Dla każdego pierwiastka istnieje granica wzbudzenia widma charakterystycznego. Jeśli przykładowo antykatoda wykonana jest z rtęci energia elektronów musi być równa 82 [keV], aby mogło zostać wyemitowane promieniowanie charakterystyczne.
Własności i zastosowanie promieniowania X
Promienie X znajdują duże zastosowanie w technice i w przemyśle. W rentgenodefektoskopii służą do badania uszkodzeń, defektów, do kontroli materiałów, do sprawdzania izolacji i uszczelnień, do wykrywania skaz złącz spawanych. Jest to szczególnie ważne przy budowie np. samolotów, gdzie zastosowanie źle spawanych złącz grozi katastrofą. Promienie X łatwo przenikają przez powietrze i inne gazy wypełniające niepożądane szczeliny czy skazy i dają na klisze silnie zaczernione obrazy defektów. Dzięki temu, że długości fal promieni X są porównywalne z odległościami międzyatomowymi ciał stałych, stosuje się je do badania struktury tych ciał (rentgenografia). Zgodnie z zasadą Huygensa każdy atom, do którego dociera promieniowanie staje się źródłem nowej fali. W pewnym przybliżeniu, układ atomów tworzących kryształ leżących w jednej dowolnej płaszczyźnie można potraktować jako płaszczyznę zwierciadlaną, od której odbija się wiązka promieniowania rentgenowskiego. Zgodnie z prawem odbicia, kąt odbicia równy jest kątowi padania -. Fale odbite od kolejnych, równoległych do siebie płaszczyzn sieciowych (zwanych rodziną płaszczyzn) interferują ze sobą dając w rezultacie wzmocnienie albo osłabienie wiązki. Wzmocnienie odbitego promieniowania wystąpi wówczas, kiedy różnica faz promieniowania odbitego od kolejnych płaszczyzn będzie wielokrotnością 2. Ma to miejsce wówczas, kiedy różnica dróg przebytych przez kolejne fale (zaznaczona na rysunku linią pogrubioną) będzie równa wielokrotności długości fali padającego promieniowania -n. Różnica ta wynosi 2d sin (Rys. 5). Przyrównując obie wielkości otrzymujemy wzór wiążący długość fali, odległość między płaszczyznową oraz kąt, pod którym obserwujemy wzmocnienie:
n · = 2d sin
Wzór ten znany jest jako prawo Wulfa - Bragga, od nazwiska odkrywcy, który w roku 1913 jako pierwszy wykorzystał zjawisko dyfrakcji promieni Röntgena do badania struktury kryształów. G.W Bragg wraz z ojcem H.W. Braggiem za odkrycia te otrzymali w roku 1915 nagrodę Nobla
Promienie X znalazły zastosowanie przede wszystkim w medycynie. W diagnostyce stosuje się je do prześwietlania kości, płuc czy zębów, wykorzystując do tego celu aparat rentgenowski. Zastosowanie terapeutyczne promieni X polega na ich silnym działaniu na tkanki żywe. W rentgenoterapii okresowe naświetlanie promieniami X pozwala na zniszczenie chorej tkanki. Fakt ten wykorzystano w leczeniu schorzeń skóry, a w szczególności do leczenia nowotworów. Są one także używane w do badania składu chemicznego substancji oraz badania struktur kryształów.
Właściwości, które pozwoliły na tak różnorodne zastosowanie promieniowania rentgenowskiego, to:
§ przenikanie przez materię (przechodzą z łatwością przez szkło i płytki z metali lekkich)
§ częściowe pochłaniane przez różne pierwiastki (zdolność pochłaniania wzrasta ze wzrostem grubości warstwy i liczby atomowej)
§ jonizacja gazów, przez które przechodzi
§ rozchodzenie się po liniach prostych
§ brak odchyleń w polu elektrycznym, ani magnetycznym
§ niszczenie tkanek organicznych
§ wywoływanie fluorescencji
makoomba