Рентгенорадиометрический метод

Метод основан на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции от концентрации элемента в образце.

Существуют два вида рентгеновского излучения (РИ) – тормозное (непрерывное) и характеристическое, различающиеся по способу (причинам) возникновения (Рисунок 22).

Тормозное излучение – электромагнитное излучение, возникающее в рентгеновской трубке в результате торможения электронов вылетающих с катода в кулоновском поле ядер атомов анода.

Рисунок 22 - Рентгеновское излучение.

Спектр не может иметь кванты с энергией больше, чем полная энергия электронов.

Максимальную энергию квант РИ будет иметь, если разогнавшийся электрон всю свою энергию при торможении передаст образующемуся кванту РИ, т. е.

Таким образом, максимальной энергии квантов в спектре соответствует минимальная длина волны, так как длина волны и частота (т.е. энергия) обратно пропорциональны.

Итак, спектр ТРИ имеет коротковолновую границу.

При бомбардировке анода потоком ускоренных электронов малая их доля (~1 или менее столкновений из 100) вызывает ионизацию атомов мишени, что, в свою очередь, может закончиться испусканием квантов характеристического рентгеновского излучения.

Проходя сквозь вещество, частица сталкивается с атомами этого вещества. Число столкновений зависит в основном от электрического заряда и скорости частицы. Масса частицы и природа самого вещества играют лишь второстепенную роль. При каждом столкновении существует некоторая вероятность того, что атом потеряет электрон и превратится в положительно заряженный ион. Поэтому частица, движущаяся в веществе, оставляет за собой след из электронов и положительных ионов. Этот процесс, называемый ионизацией, схематически изображен на Рисунок 23. Например, очень быстрый протон (скорость которого близка к скорости света) при движении в воде оставляет на каждом сантиметре пути примерно 70 000 пар электронов и положительных ионов. Одновременно с ионизацией атомы при столкновении могут излучать свет или приобретать импульс, что ведет к нагреву вещества и возникновению в нем разного рода дефектов.

Рисунок 23 – Процесс ионизации

Положительно заряженная частица (слева) приближается к нейтральному атому, который представляет собой положительно заряженное ядро, окруженное облаком отрицательно заряженных электронов. Частица притягивает электроны атома (посередине), что приводит к разделению зарядов. Если она достаточно долго находится вблизи атома, то из него вырывается электрон (вверху справа). В результате образуется положительный ион – атом, у которого положительный заряд ядра больше отрицательного заряда электронного облака.

Характеристическое излучение – рентгеновское излучение, возникающее в результате перехода атомов из возбужденного состояния в нормальное.

Рассмотрим возникновение ХРИ поэтапно:

- анод РТ бомбардируется электронами;

- налетающие электроны на анод выбивают электроны с внутренних оболочек атома материала анода;

- удаление электрона с оболочки вызывает возбуждение атома;

- атом снова стремится перейти в стабильное энергетическое состояние;

- переход в стабильное состояние совершается посредством перехода электронов с более высокоэнергетических уровней на освободившееся место;

- согласно закону сохранения энергии происходит испускание электромагнитного излучения с энергией, эквивалентной разности энергетических уровней оболочек, между которыми совершается электронный переход;

– у атомов каждого элемента разность энергий своя, длины волн РИ у каждого элемента свои, длина волны - характеризует атом.

Два понятия – первичное и вторичное характеристическое излучение.

Первичное ХРИвозникает в результате бомбардировки объекта (анода РТ) пучком электронов.

Вторичное (флуоресцентное) ХРИвозникает в результате возбуждения объекта рентгеновским излучением.

Разница – только в происхождении, в спектрах разницы нет.

Рентгеновская флуоресценция

Когда атомы образца облучаются фотонами с высокой энергией – возбуждающим первичным излучением рентгеновской трубки, это вызывает испускание электронов. Электроны покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбиталях образуются " дырки" - вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию, когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона – этот феномен и называется " флуоресценция''.

Рисунок 24 – Электронные орбитали.

Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением. Различные электронные орбитали (Рисунок 24) обозначаются K, L, M и.т.д., где К - орбиталь, ближайшая к ядру. Каждой орбитали электрона в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбиталей, между которыми произошел переход электрона. Наиболее интенсивные линии характеристического спектра – Ka1, Ka2, Kb1 и Kb2 соотношение их интенсивностей – 100: 50: 20: 4. Длина волны испускаемого фотона связана с энергией формулой E = E1-E2 = hc/λ , где E1 и E2 - энергии орбиталей, между которыми произошел переход электрона, h – постоянная Планка, с - скорость света, λ - длина волны испускаемого (вторичного) фотона. Таким образом, длина волны флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность (число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации (количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒