Характеристичне рентгенівське випромінювання міді

Більшість застосувань рентгенівських променів ґрунтується на їхній здатності проходити крізь речовину. Оскільки ця здатність залежить від густини речовини, стає можливим отримання зображень внутрішніх частин об'єктів і навіть людей. Це знаходить широке застосування в таких галузях, як медицина або безпека.

Попередні

знання

Попередні знання, необхідні для цього експерименту, наведено в розділі "Теорія".

Принцип

Рентгенівська трубка з мідним анодом генерує рентгенівське випромінювання, яке відбирається за допомогою монокристала в залежності від кута Брегга. Лічильник Гейгера-Мюллера вимірює інтенсивність випромінювання. Кути падіння характерних рентгенівських ліній потім використовуються для визначення енергії.

Мета цього експерименту - дослідити характеристичне рентгенівське випромінювання міді.

Мета навчання

Завдання

• Проаналізуйте інтенсивність рентгенівського випромінювання міді залежно від кута Брегга за допомогою монокристала LiF.
• Проаналізуйте інтенсивність рентгенівського випромінювання міді залежно від кута Брегга за допомогою монокристала KBr.
• Визначте значення енергії характеристичних рентгенівських променів міді та порівняйте їх зі значеннями, що були визначені на основі відповідної діаграми енергетичних рівнів.

Коли електрони з високою кінетичною енергією ударяються об металевий анод рентгенівської трубки, утворюється рентгенівське випромінювання з безперервним розподілом енергії. На спектр гальмівного випромінювання накладаються додаткові дискретні лінії. Якщо атом матеріалу анода іонізується на оболонці, то після удару електрона електрон з вищою оболонки може зайняти вільне місце, випускаючи квант рентгенівського випромінювання. Енергія цього рентгенівського кванта відповідає різниці енергій двох оболонок, які беруть участь у цьому процесі.Оскільки ця різниця енергій є специфічною для кожного атома, випромінювання, що виникає, також називають характеристичним рентгенівським випромінюванням. На рисунку 1 показано діаграму енергетичних рівнів для міді. Характеристичне рентгенівське випромінювання, яке утворюється при переході з оболонки в оболонку, називається випромінюванням, тоді як випромінювання, що виникає при переході від оболонки до оболонки називається випромінюванням (переходи ( та заборонені відповідно до квантово-механічних правил відбору).

Рис.1: Діаграма рівнів енергії міді (Z = 29)

Характеристичні рентгенівські лінії міді мають такі енергетичні рівні (рис.1):

= 8,038 кеВ

= 8,905 кеВ

(1)

- середнє значення енергії та ліній. Аналіз поліхроматичних рентгенівських променів стає можливим завдяки використанню монокристала. Коли рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі падає на площини кристалічної решітки монокристала під кутом , промені, які відбиваються від площин решітки, конструктивно інтерферують між собою за умови, що різниця ходу відповідає цілому кратному числу довжин хвиль. Відповідно до рисунка 2, закон Брегга застосовується до конструктивної інтерференції:

(2)

(d: міжплощинна відстань; n = 1, 2, 3, ...)

Рис. 2: Бреггівське розсіювання на парі площин решітки

Якщо відома міжплощинна відстань , то довжину хвилі можна визначити за допомогою кута падіння . Енергія випромінювання виникає в результаті:

(3)

Об'єднуючи (2) і (3), отримуємо:

(4)

Примітка:

Дані діаграми рівнів енергії були взяті з "Довідника з хімії та фізики", CRC Press Inc., Флорида.

Постійна Планка 6,6256

Швидкість світла 2,9979

Міжплощинна відстань LiF (200) 2,014

Міжплощинна відстань KBr (200) 3.290

Еквівалент 1,6021

Підключіть гоніометр і трубку лічильника Гейгера-Мюллера до відповідних гнізд в експериментальній камері (див. червоне маркування на рис. 3). Блок гоніометра з кристалом аналізатора має розташовуватися в крайньому положенні з правого боку. Закріпіть трубку лічильника Гейгера-Мюллера з тримачем на задньому обмежувачі напрямних. Не забудьте встановити діафрагму перед лічильною трубкою (див. рис. 4). Вставте трубку діафрагми діаметром 2 мм у вихідний отвір променя вставного блоку трубки.

Для калібрування: Переконайтеся, що в параметри гоніометра введено правильний кристал. Потім виберіть "Меню", "Гоніометр", "Автокалібрування". Тепер прилад визначить оптимальні положення кристала і гоніометра відносно один одного, а потім і положення піків.

Рис. 3: Роз'єми в експериментальній камері

Рис. 4: Встановлення гоніометра

• Підключіть рентгенівську установку через USB-кабель до USB-порту комп'ютера (потрібний порт рентгенівської установки зазначено на рис. 5).
• Запустіть програму measure. На екрані з'явиться віртуальна рентгенівська установка.
• Ви можете керувати рентгенівською установкою, натискаючи на різні функції на віртуальній рентгенівській установці та під нею. Крім того, Ви можете змінити параметри на реальній рентгенівській установці. Програма автоматично прийме налаштування.

Рис. 5: Підключення комп'ютера

Рис. 6: Частина інтерфейсу ПЗ

Рис. 7: Налаштування гоніометра (кристал LiF)

• Натисніть на експериментальну камеру (див. червоне маркування на рис. 6), щоб змінити параметри експерименту. Виберіть параметри, як показано на рис. 7, для кристала LiF . Якщо Ви використовуєте кристал KBr , виберіть початковий кут 3° і кінцевий кут 75°.
• Якщо натиснуть на рентгенівську трубку (див. червоне маркування на рис. 6), можна змінити напругу і силу струму рентгенівської трубки. Виберіть параметри, як показано на рис. 8.

Рис. 8: Налаштування напруги та сили струму

Проаналізуйте інтенсивність рентгенівського випромінювання міді за допомогою монокристала LiF в залежності від кута Брегга.

На рис. 9 показано рентгенівський спектр міді, який було проаналізовано за допомогою монокристала LiF . Чіткі лінії накладаються на безперервний гальмівний спектр. Кути падіння цих ліній залишаються незмінними при зміні напруги на аноді. Це вказує на те, що ці лінії є характеристичними рентгенівськими лініями. Дві пари ліній можна віднести до інтерференції першого і другого порядку (n = 1 і n = 2). У таблиці 1 наведено кути падіння , які були визначені за допомогою рис. 9, а також значення енергії для и ліній міді, які були розраховані за допомогою рівняння (4).

Рис. 9: Інтенсивність рентгенівського випромінювання міді в залежності від кута падіння ϑ; кристал аналізатора: LiF

Проаналізуйте інтенсивність рентгенівського випромінювання міді за допомогою монокристала KBr в залежності від кута Брегга

Якщо монокристал LiF замінити на монокристал KBr (рис. 10), то через більшу міжплощинну відстань кристала може спостерігатися інтерференція аж до четвертого порядку.

В спектрі гальмівного випромінювання на рис. 10 видно чіткий стрибок інтенсивності при = 8.0°. Це відповідає теоретично очікуваному значенню поглинання краю брому ( = 13,474 кеВ) при 1. У цій ділянці гальмівного спектра неможливо спостерігати поглинання краю калію, літію і фтору, оскільки інтенсивність занадто мала (експерименти з поглинання на і краях див. в експерименті P2541205).

Рис. 10: Інтенсивність рентгенівського випромінювання міді в залежності від кута падіння ϑ; кристал аналізатора: KBr

Програмне забезпечення measure

За допомогою програмного забезпечення measure піки в спектрі можуть бути визначені досить легко:

• Натисніть кнопку "Маркування" і виберіть область для визначення піку.
• Натисніть на кнопку "Аналіз піку".
• З'явиться вікно "Аналіз піків" (див. рис. 11). Потім натисніть "Розрахувати".
• Якщо обчислені не всі бажані піки (або їх занадто багато), скоригуйте допустиму похибку відповідним чином.
• Виберіть "Візуалізація результатів", щоб відобразити дані піків безпосередньо в спектрі.

Рис. 11: Автоматичний аналіз піків за допомогою measure.