Promieniowanie rentgenowskie

Mirosław Kwiatek
Temat: Promieniowanie rentgenowskie
– jego wytwarzanie, badanie i przyczynianie się do powstawania różnych zjawisk
.Materia może powstać z energii! Dokładniej – połowa materii bo drugą połową jest
przedstawiciel antymaterii - antyelektron
Istnieją jeszcze krótsze od termicznych fale odkryte przez Rentgena (nazwisko to pisze się w
rzeczywistości z użyciem ‘litery skandynawskiej’ albo też: Roentgena; Sam Rentgen nazwał to promieniowanie
krótko: X). Promieniowanie to jak się okazuje wykazuje wiele analogii do termicznego.
Promieniowanie X jest wysokoenergetyczne; przy małych długościach fale te mają duże
częstotliwości  a więc dużą energię h. Aby takie promieniowanie wytworzyć trzeba też
dużych energii. Energię uzyskujemy z pola elektrycznego wytwarzanego dzięki wysokiemu
napięciu rzędu min kilku kV.
Rozpędzone dzięki polu elektrycznemu (napięciu) elektrony uderzają w metalową płytkę i
w większości zamieniają się na ciepło (!) ale w ok. 1 % powodują wyemitowanie
promieniowania X. Metal płytki musi być odporny cieplnie (a i tak jest od wewnątrz,
wydrążonymi kanałkami, chłodzony cieczą) więc jest wykonany z … wolframu (jak w
żarówce, która też większość energii, niekiedy 85 % zamienia w ciepło!), który ma
temperaturę topnienia 3670 oC
Widmo ciągłe promieniowania termicznego można uzyskać przy pomocy pryzmatu - przez
załamanie - a można też przy pomocy zespołu (kilku tysięcy na długości cala = 24 mm)
krawędzi przegrodowych (szczelin) zwanego siatką dyfrakcyjną – przez ugięcie (i
interferencję). Natomiast widmo ciągłe promieniowania X – tylko przy pomocy siatki
dyfrakcyjnej. Jednakże nie jest to siatka wykonana sztucznie, technologicznie, przez
wykonanie rys. Siatka dyfrakcyjna musi mieć odstępy między swymi szczelinami rzędu
długości fali. Technologicznie nie jest to (jeszcze) możliwe, bo długości fal X są poniżej 100
odległości międzyatomowych w krysztale metalu (poniżej 200 x 10-10 m czyli poniżej 200 tzw
angstremów a odległość międzyatomowa to ok. 2 – 3 angsztremy) . Ale siatką może być
naturalna sieć jaką jest właśnie pozbawiony wad monokryształ metalu. Siatka naturalna jest
przestrzenna czyli jest zbiorem dużej ikości (ale skończonej z powodu skończonej grubości monokryształu)
siatek płaskich. Ale te siatki mogą być wyodrębnione w różnych kierunkach (bardzo duża liczba kierunków ale
też skończona z powodu skończonych wymiarów kryształu) Można mówić o rodzinach siatek o różnych stałych
d czyli liczbach atomów na 1 mm Siatki dyfrakcyjne przy tym sztuczne mogą być nie tylko takie
przez które promieniowanie (np. świetlne) przechodzi by interferować po drugiej stronie;
Siatki dyfrakcyjne mogą być też tzw. odbiciowe (refleksyjne), dla których interferencja
zachodzi w świetle odbitym. Laue otrzymał nagrodę Nobla za praktyczne udowodnienie
możliwości dyfrakcji na cienkim monokrysztale (np. kalcytu) ale Bragg zamiast rozpatrywać
wiązkę przechodzącą przez kryształ wziął pod uwagę wiązkę ulegającą odbiciu od kryształu.
Nie jest to jednak zwykłe odbicie lecz selektywne, tzn przy ściśle określonym kącie. Uzyskał
widmo ciągłe na kliszy fotograficznej składające się z obszarów o różnej jaskrawości (jak na
fotografii czarno-białej)
Okazuje się, ze promieniowanie X też jest skupione wokół swojego maksimum (a
krzywa jest też łagodna dla długości dużych i stroma dla mniejszych długości)!
Widmo może być też rodziną krzywych – dla różnych ustalonych napięć – też im
wyższe ustalane wartości (napięcia) tym większe energie!
I maksima krzywych rodziny przesuwają się też po hiperboli – są wyższe dla krótszych
fal:
hc
MAXU = const = 1,5 e gdzie ładunek elementarny (elektronu) e = 1,6 x 10-19 C
Np. dla 120 000 V otrzymamy MAX = 10-11 m czyli 0,1 angsztrema
Jest jakościowa różnica – dla promieniowania Rentgena istnieje dla każdego napięcia
długość minimalna min (o), do której wykres spada w sposób stromy.
c
hc
ho = Ue
czyli
h = Ue
stąd
o = Ue

Oprócz widma ciągłego promieniowanie X też ma widma liniowe, w seriach.
Powstawanie promieniowania X jest właściwie jakościowo odwrotne do zjawiska
fotoelektrycznego (w którym foton przekazuje energię cząstce materii - elektronowi).
Przy emisji promieniowania X EK elektronu swobodnego zamienia się wskutek hamowania
na tzw. antykatodzie na energię fotonu h promieniowania Rentgena (praca wyjścia istniejąca w
zjawisku fotoelektrycznym jest tu zaniedbywanie mała w stosunku do energii fotonów). Ta zamiana może
odbywać się w kilku etapach (i to w przypadkowej kolejności) więc z powodu wielu
możliwości jest ciągłość widma
Za emisję X są odpowiedzialne elektrony najsilniej związane z jądrem więc dlatego fotony
X są wysokoenergetyczne.
Gdy elektrony rozpędzone do 0,1c uderzają w wolfram to wnikają na pewną głębokość.
Elektron jest hamowany doznając zmniejszenia prędkości a więc i energii kinetycznej. Ten
ubytek jest emitowany w postaci elektromagnetycznej fali X. Gdy elektron zostanie
całkowicie wyhamowany to przypadek szczególny. Wtedy cała energia zamienia się w foton
X. Energia fotonu jest maksymalna a więc maksymalna jest częstotliwość a więc minimalna
długość fali.
Promieniowaniem X jest też właściwie promieniowanie jądrowe  lecz inaczej
otrzymywanym (bez napięcia), z izotopów promieniotwórczych (jednak promieniowanie 
może mieć jeszcze niższe długości fal; jest więc jeszcze bardziej energetyczne i szkodliwe dla
organizmów ludzkich /‘w całości’, bo może likwidować lokalnie komórki rakowe )
Promieniowanie  jest wysyłane podczas rozpadu jąder atomowych. Powstałe jądra
pochodne znajdują się zwykle w stanach wzbudzonych. Przejścia tych jąder do stanów
podstawowych zachodzą poprzez emisję kwantów . Tak więc promieniowanie  nie jest
wysyłane przez jądra macierzyste.
Istnieją tzw. synchrotrony, urządzenia z silnymi elektromagnesami, które są źródłami fal w
zakresie obejmującym zarówno promieniowanie termiczne jak i rentgenowskie (światłość
powierzchniowa w maksimum jest np. 3 rzędy wielkości większa od Słońca dodatkowo!)
Synchrotron jest jakby przeciwieństwem lasera
Swobodny elektron (cząstka naładowana ogólnie) emituje promieniowanie gdy zmienia
przyspieszenie. Przy wytwarzaniu X zmienia wartość przypieszenia bo hamuje (opóźnienie
występuje). Ale przyspieszenie jest wektorem więc jeszcze kierunek może się zmieniać! Tak
jest gdy siła Lorentza zakrzywia ciągle tor ruchu (wektor prędkości) swobodnych elektronów
w akceleratorze kołowym (przyspieszenie dośrodkowe). I wtedy powstaje promieniowanie
synchrotronowe. Przez długi czas było traktowane jako niepożądany efekt uboczny (od
odkrycia w 1947; teoria przewidywała ale bez efektów relatywistycznych spodziewano się
dłuższych fal) Od lat 80tych zaczęto konstruować akceleratory z wyłącznym przeznaczeniem
na źródło niemonochromatyczne promieniowania o bardzo szerokim widmie (można
powiedzieć, że promieniowanie synchrotronowe jest przeciwieństwem lasera)
Promieniowanie synchrotronowe jest powszechne we Wszechświecie
Z drugiej strony widma fal elektromagnetycznych, widmo promieniowania radiowego/ UKF i
mikrofalowego/ emitowanego przez obiekty astronomiczne zwane radioźródłami – niektóre galaktyki (:1cm –
1m) nie ma charakteru termicznego. Energia rośnie (wykładniczo) z długością fal; Bez maksimum.
Promieniowanie rentgenowskie jest bardzo energetyczne więc można za jego pomocą
zrobić aż 3 rewolucyjne kiedyś dla fizyki doświadczenia ilustrujące zjawiska potwierdzające
słuszność teorii kwantowej.
Załóżmy, że mamy cienką folię metalową np. z ołowiu. Gdy powierzchnia płytki zostanie
napromieniowana kwantami X o energii większej od 1 MeV, np. 3,5 MeV (Jeden elektron
uzyska energię z pola elektrycznego wytworzonego napięciem 3,5 miliona woltów), to jednocześnie zajdą
3 następujące zjawiska (Z różnym prawdopodobieństwem. Zjawisko 1, mające prawdopodobieństwo
spadkowe dla rosnących energii i zjawisko 3, o prawdopodobieństwie rosnącym, mają dla tej niemałej energii
akurat równe prawdopodobieństwa ale dość małe; Zjawisko 2, o prawdopodobieństwie wg. trendu spadającego,
ma prawdopodobieństwo wyższe ok. 2 razy):
1) Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – polegające na wybijaniu elektronów
(potrzeba do tego tzw. pracy wyjścia) i nadawaniu im prędkości po stronie, na którą
pada promieniowanie Rentgena
Zjawisko to można też uzyskać dla fotonów światła nie tak bardzo energetycznych jak kwanty X;
Praca wyjścia dla przykładowego metalu wynosi 5 eV a przykładowe napięcie przyspieszające: 10 V da
wybitemu elektronowi energię 10 eV skąd minimalna energia fotonu musi wynosić zaledwie 15 eV.
Rząd wielkości energii jest milion razy mniejszy ale też częstotliwość promieniowania X jest milion
razy większa od częstotliwości świetlnych (np. 600 nm a 0,03 angsztrema, 10-6 a 10-10 x 10-2 = 10-12).
Zjawisko to zostało wykryte przez Hertza, który podczas prób z wytwarzaniem fal radiowych o
długości rzędu kilku metrów zauważył, że ultrafiolet ułatwia przebicie elektryczne padając na przerwę
iskrową oscylatora ale wyjaśnione dopiero przez Plancka
2) Zjawisko Comptona – polegające na wybijaniu elektronów i nadawaniu im prędkości
po stronie przeciwnej do powierzchni przyjmowania promieniowania X, z
jednoczesnym przejściem przez folię fotonu ale oczywiście ze zmniejszoną energią
h czyli ze zwiększoną nieco długością fali X; Kierunek wypromieniowania X i tor
ruchu elektronu tworzą kąty z prostopadłą do powierzchni wyjściowej malejące wraz z
energią fotonu padającego – tak, że kierunki wypromieniowań ‘rozbiegają’ się
Dodatkowo stosunek prawdopodobieństw wystąpienia zjawisk: fotoelektrycznego i Comptona
zależy od liczby Z – dla pierwiastków ciężkich jak Pb (przy hn < 0,5 MeV) zjawisko fotoelektryczne
przeważa nad efektem Comptona
Compton ‘swoje’ zjawisko przewidział, zaplanował
3) Zjawisko tworzenia par – polegające na wytworzeniu za folią elektronu i
antyelektronu czyli pozytonu (pozyton e+ jest cząstką elementarną z grupy antycząstek; Różni
się od elektronu tylko przeciwnym znakiem. Z antyprotonem może utworzyć antywodór czyli
przedstawiciela antymaterii – udało się i doświadczalnie wytworzyć kilka atomów antywodoru).
Pozyton i elektron (‘antypozyton’) rozbiegaja się symetrycznie w „przeciwne” strony
(też – im większa energia tym mniejsz kąt między nimi) jeśli za folią jest pole
magnetyczne (B prostopadła do folii).
Zjawisko tworzenia par wystąpi tylko od energii ok. 1 MeV
Zjawisko to udowadnia słynny wzór Einsteina powstawania masy z energii
W celu usystematyzowania wiadomości można dodać co następuje:
Dla najmniejszych energii kwantów zachodzą w półprzewodnikach zjawiska:
- zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (zmniejszanie się rezystywności pod wpływem światła albo nawet
podczerwieni – z powodu przemieszczeń elektronów wewnątrz półprzewodnika samoistnego, z zewnętrznych warstw
powłok atomów do pasma przewodnictwa)
- zjawisko fotowoltaiczne (wydobywanie elektronów z wnętrza pod jedną z powierzchni półprzewodnika
domieszkowanego już pod wpływem światła ale też pod wpływem promieniowania pochodzenia izotopowego
np. promieniowania  )
- fotoluminescencja (emitowanie światła widzialnego pod wpływem pobudzenia UV)
Można usystematyzować i zjawiska ‘odwrotne’, tzn. gdy przyczyną jest bombardowanie elektronami:
- elektroluminescencja – świecenie gazów rozrzedzonych (w neonach reklamowych)
- fotoluminescencja (ponownie) – świecenie luminoforowego ciała stałego pod wpływem UV, które to ‘światło’
powstało z kolei, jak w elektroluminescencji (w reklamach), pod wpływem bombardowania rozrzedzonych
gazów/par elektronami (w świetlówkach)
- elektronoluminescencja (katodoluminescencja) – świecenie luminoforowego ciała stałego (w kineskopach)
- wytwarzanie promieniowania Rentgena
- anihilacja – powstawanie kwantu promieniowania Rentgena/ z pary cząstek: elektron i pozyton
- zjawisko fotowoltaiczne spowodowane jądrowym promieniowaniem  – gromadzenie elektronów pod
jedną z powierzchni półprzewodnika domieszkowanego
- Jest jeszcze termoemisja elektronów swobodnych z katody podgrzewanej (np. promieniowaniem) ciepłem Joule’a
2007-07-16