Рентгеновское излучение

Рентге́новское излуче́ние, электромагнитное излучение с длинами волн ${\displaystyle 10^{-11}{\text{--}}10^{-8}}$ м. Длинноволновый край диапазона называют мягким рентгеновским излучением, коротковолновый – жёстким рентгеновским излучением. Открыто В. Рентгеном в 1895 г. (за это открытие в 1901 Рентгену была присуждена первая в истории Нобелевская премия по физике). Термин «рентгеновское излучение» используется в основном в России, в других странах распространён предложенный Рентгеном термин «Х-лучи» (X-rays).

Рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия свободных электронов с атомами или ионами посредством двух элементарных процессов: торможения электронов или создания электронами вакансий во внутренних электронных оболочках. Первый приводит к возникновению рентгеновского излучения с непрерывным спектром (тормозное излучение), второй – к возникновению рентгеновского излучения с линейчатым спектром (характеристическое излучение). Степень жёсткости тормозного излучения возрастает при увеличении энергии возбуждающих электронов; коротковолновая граница спектра и длина волны, соответствующая максимуму спектра, смещаются в область меньших длин волн (рис. 1). Общий вид спектра характеристического излучения (рис. 2) не зависит от энергии возбуждающих электронов при превышении порога возбуждения.

Рентгеновское излучение может быть получено с помощью рентгеновской трубки. Пучок электронов, испускаемых катодом, фокусируется на поверхности анода, что приводит к генерации излучения. Обычно напряжение между катодом и анодом составляет 10–100 кВ. Излучение рентгеновской трубки частично поляризовано, степень поляризации зависит от длины волны.

Совершенствование ускорителей электронов привело к появлению источников синхротронного и ондуляторного излучения в рентгеновском диапазоне. В этих случаях излучение создаётся ускоренным электроном при его движении по искривлённой траектории в магнитном поле.

При прохождении пучка ускоренных ионов через тонкую фольгу можно получить линейчатое излучение, соответствующее оптическим переходам в рентгеновской области.

Источником рентгеновского излучения является горячая плазма с температурой выше ${\displaystyle 10^{5}}$ К, причём излучение плазмы является средством диагностики её температуры и плотности. В этом случае рентгеновское излучение с линейчатым спектром возникает при возбуждении внешних электронов в многозарядных ионах.

Один из механизмов возникновения рентгеновского излучения в астрофизических объектах связывают с аккрецией вещества на поверхность нейтронных звёзд.

Поглощение рентгеновского излучения химическим элементом описывается эмпирической формулой (по Блохину): ${\displaystyle \tau =0,0165\cdot \rho \cdot Z^{2,65}\cdot \lambda ^{2,78}}$, где ${\displaystyle \tau }$ – коэффициент поглощения в см^–1 , ${\displaystyle \rho }$ – плотность вещества в г/см³ , ${\displaystyle \lambda }$ – длина волны в ${\displaystyle \mathrm {\AA} }$, ${\displaystyle Z}$ – заряд ядра. Эта формула справедлива для диапазона ${\displaystyle 0,1\,\mathrm {\AA} <\lambda <\lambda _{K}}$, где ${\displaystyle \lambda _{K}}$ – длина волны т. н. K-скачка поглощения, возникающего, если энергия кванта излучения становится достаточной для ионизации K-оболочки – самой внутренней электронной оболочки атома.

В случае сложных веществ поглощения отдельных химических элементов складываются. В результате рентгеновское излучение с длиной волны меньше ${\displaystyle 1\,\mathrm {\AA} }$ легко проникает в органические вещества, что позволяет применять его в медицине для диагностики и лечения. Однако длительное или систематическое воздействие рентгеновского излучения оказывает разрушительное воздействие на человеческий организм – от ожогов кожи до бесплодия и генетических изменений. В связи с этим применение рентгеновского излучение в медицине сопровождается целым рядом ограничений и защитных мер.

Для регистрации рентгеновского излучения используются фотоматериалы, флуоресцентные экраны, ионизационные камеры, пропорциональные счётчики. Изучение спектров жёсткого рентгеновского излучения возможно также с помощью полупроводниковых детекторов.

На использовании рентгеновского излучения основаны рентгеновская астрономия, рентгеновский спектральный анализ и рентгеновский структурный анализ. Среди применений рентгеновского излучения в промышленности – рентгенофлуоресцентный анализ, который позволяет проводить неразрушающий контроль элементного состава образца. Жёсткое рентгеновское излучение используется для дефектоскопии элементов механических конструкций. В электронной промышленности применяется проекционная литография с использованием мягкого рентгеновского излучения.