Рентгенівське випромінювання

Рентге́нівське випромі́нювання, пулюївське випромінювання або Х-промені  (рос. рентгеновское излучение, англ. X-ray emission, roentgen radiation, нім. Röntgenstrahlung f) — короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 10 нм до 0.01 нм. В електромагнітному спектрі діапазон частот рентгенівського випромінювання лежить між ультрафіолетом та гамма-променями.

Рентгенівське випромінювання виникає від різкого гальмування руху швидких електронів у речовині, при енергетичних переходах внутрішніх електронів атома. Воно використовується у науці, техніці, медицині. Рентгенівське випромінювання змінює деякі характеристики гірських порід, наприклад, підвищує їх електропровідність. Короткочасне опромінення кристалів кам’яної солі знижує їхнє внутрішнє тертя.

Назва рентгенівське випромінювання походить від прізвища німецького фізика Вільгельма Конрада Рентґена. Інша назва - пулюївське випромінювання походить від імені українського фізика Івана Пулюя.

Першовідкривачем випромінювання є Іван Пулюй. Його працями користався пізніше і Вільям Рентген, котрому було особисто Пулюєм презентовані свої праці. Рентген назвав ці промені невідомої природи X-променями. Ця назва збереглася донині в англомовній та франкомовній науковій літературі, ввійшовши в мови багатьох народів світу.

Рентгенівське випромінювання використовуються для флюорографії, рентгенівського аналізу і в кристалографії для визначення атомарної структури кристалів.

Суцільний та характеристичний спектр випромінювання

Рентгенівське проміння виникає при бомбардуванні швидкими електронами пластинки анода в електронно-променевій трубці. Розрізняють суцільний та характеристичний спектри випромінювання.

Якщо енергія електронів, які падають на анод, менша за певну властиву матеріалу анода величину, то спостерігається тільки гальмівне випромінювання. Спектр цього випромінювання суцільний, починається на певній частоті, яка залежить лише від прикладеної напруги, й не залежить від матеріалу анода, спочатку його інтенсивність росте за частотою, досягає максимуму й потім зменшується.

Характеристичне випромінювання виникає при більших прикладених напругах. Свою назву воно отримало завдяки тому факту, що воно характеризує матеріал анода. Характеристичне випромінювання має лінійчатий спектр. Воно відповідає квантовомеханічним переходам між різними орбіталями атомів. При зіткненні електронів із анодом, вони можуть вибити із атомів анода внутрішній електрон. Характеристичне випромінювання виникає, коли один із зовнішніх електронів переходить на звільнену орбіталь. Спектральні лінії характеристичного випромінювання розбиваються на серії, які позначають великими латинськими літерами K, L, M, N.

Природу лінійчатого спектру характеристичного рентгенівського випромінювання можна зрозуміти, виходячи з уявлень про будову атома. Кількість електронів у атомах визначається зарядом їхніх ядер. Згідно з положеннями квантової механіки ці електрони можуть мати лише певні дискретні значення енергії й розташовуватися на певних орбіталях. Зовнішні електрони атомів визначають їхні хімічні властивості та оптичні спектри. Електрони внутрішніх оболонок обертаються навколо ядер із великою швидкістю й мають значну енергію. Значення цієї енергії характерне для кожного хімічного елемента й для кожної орбіталі у ньому. Оскільки внутрішні електрони атомів не беруть участі в хімічних зв'язках, то їхня енергія не змінюється в залежності від сполуки, до якої входить той чи інший хімічний елемент.

Характеристичне випромінювання виникає в тому випадку, коли внаслідок зіткнення зі швидким електроном, один із внутрішніх електронів покидає атом. Переходячи на незайняту орбіту, зовнішній електрон випромінює в рентгенівській області спектру, й частота цього випромінювання залежить від типу атома й тих орбіталей, між якими відбувається перехід.

$h\nu = E_2 - E_1$,

де ν — частота, а h — стала Планка.

Частоти E_i визначені для кожного хімічного елемента й не залежать від типу хімічних зв'язків, утворених атомом, бо в утворенні хімічних зв'язків беруть участь лише зовнішні електрони.

Ці факти лежать в основі рентгенівського аналізу хімічного складу речовин.

Поглинання

Рентгенівські промені слабо взаємодіють із речовиною, завдяки чому мають велику проникність. Проте вони поглинаються в тому випадку, коли їхня енергія вища за енергію внутрішніх електронів атомів. На відміну від лінійчатих спектрів випромінювання спектр характеристичного поглинання складається зі с щоразу, коли енергія кванта випромінювання перевищує енергію електрона на певній орбіталі.

Крім поглинання рентгенівські промені також розсіюються в речовині, змінюючи напрям розповсюдження.

Дифракція

Довжина хвилі рентгенівських променів одного порядку із характерними сталими ґратки кристалічних речовин. Тому атоми кристалів утворюють природні дифракційні ґратки для рентгенівських променів. Розсіяння рентгенівського випромінювання на цих ґратках використовується для визначення кристалічної структури речовин. Саме таким методом, в 1953 р. була розшифрована структура ДНК.

Опромінення

Рентгенівські промені мають велику енергію — десятки й сотні кілоелектронвольт. Незважаючи на те, що вони слабо взаємодіють із речовиною, така взаємодія все ж існує, й при поглинанні вивільняється велика кількість енергії, що може призвести до безповоротних пошкоджень у клітині живого організму. Тому рентгенівські промені небезпечні й робота з ними вимагає особливої уваги.

Доза опромінення вимірюється у берах — біологічних еквівалентах рентгена.

Проблема пріоритету відкриття Х-променів

Ряд вітчизняних і зарубіжних вчених вважають, що пріоритет винаходу Х-променів належить видатному українському вченому Івану Пулюю, який вперше застосував і дослідив їх у 1892 р.

Рентгенівський

Поняття пов’язані з рентгенівськими (пулюєвими) променями:

рентгенівська трубка 

електровакуумний прилад, що являє собою скляну трубку (рурку) з впаяним катодом і анодом, для одержання рентгенівського (пулюєвого) проміння.

рентгенівська дефектоскопія 

виявлення наявності, місця і розмірів дефектів у матеріалах і виробах шляхом просвічування рентгенівським (пулюєвим) промінням.

рентгенівська мікроскопія 

сукупність методів дослідження мікроскопічної будови об’єктів за допомогою рентгенівського (пулюєвого) проміння.

рентгенівський аналіз 

метод дослідження атомного й молекулярного складу і структури речовин за допомогою рентгенівського (пулюєвого) проміння. Розрізняють: рентгенодефектоскопічний аналіз, рентгеноспектральний аналіз і рентгеноструктурний аналіз.

рентгенівський золомір 

прилад для автоматичного вимірювання зольності вугілля за інтенсивністю γ-променів, відбитих від поверхні вугілля.

рентгенівський сепаратор 

апарат для механізованої вибірки породи з вугілля за сигналами пристрою, який виявляє шматки породи за інтенсивністю відбитого рентгенівського (пулюєвого) випромінювання.

Література

• Білий М.У. Атомна фізика. — Київ : Вища школа, 1973.
• І. Пулюй. — Збірник праць. К.: Рада, 1996, 712 с.
• Rafael Gualla/«Pulujisieren» statt «Rontgenisieren»// Wochenen-beilage der «Oberösterreichischen Nachrichten», 3 Februar 1962.