برای به دست آوردن اطلاعات کمی در مورد زیرساخت آلیاژهای نانوکریستالی، روش پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک (SAXS) پتانسیل بالایی دارد. این روش امکان تعیین اندازه و شکل ذرات زیر میکروسکوپی با اندازه های بین 10 تا 1000 آن را فراهم می کند. از مزایای روش SAXS می توان به این واقعیت اشاره کرد که در ناحیه زوایای کوچک، پراکندگی کامپتون قابل چشم پوشی است و همچنین پراکندگی ناشی از ارتعاشات حرارتی و جابجایی های استاتیکی که دقیقاً در ناحیه زوایای کوچک قابل چشم پوشی است. لازم به ذکر است که در ایجاد الگوی پراش فقط الکترون ها شرکت می کنند (پراکندگی توسط هسته ها ناچیز است) بنابراین می توان توزیع مکانی چگالی الکترون را از روی الگوی پراش و اضافه و کمبود الکترون ها را با توجه به آن قضاوت کرد. نسبت به چگالی الکترون به طور متوسط در نمونه به طور معادل عمل کنید.
طبق نظریه کلاسیک، دامنه پراکنده شده توسط یک ذره کروی منفرد برابر است با
زاویه پراش کجاست، مدول بردار پراش است. تابع توزیع چگالی الکترون در ذره است. شعاع ذره است.
شدت پراکنده شده توسط یک ذره کروی همگن با شعاع که چگالی الکترونی دارد به راحتی قابل محاسبه است.
تابع شکل ذره است و مربع آن ضریب پراکندگی ذره کروی است. تعداد الکترون‌های ذره، شدت پراکنده شده توسط الکترون است (لازم به ذکر است که در ناحیه صفر شبکه متقابل، وابستگی زاویه‌ای تابع را می‌توان نادیده گرفت، یعنی ).
همانطور که در نشان داده شده است، Guinier یک روش ساده برای محاسبه شدت پیشنهاد کرد، که شامل این واقعیت است که برای اندازه ذرات کوچک و برای، ما داریم. بنابراین، هنگام گسترش در یک سری، می‌توانیم خود را به دو عبارت اول محدود کنیم:
این کمیت، شعاع چرخش الکترونی (شعاع چرخش) ذره نامیده می شود و نشان دهنده اندازه ریشه میانگین مربع ذره (ناهمگنی) است. به راحتی می توان نشان داد که برای یک ذره کروی همگن با شعاع که چگالی الکترونی دارد، شعاع چرخش بر حسب شعاع آن به صورت زیر بیان می شود: و مقدار - تعداد الکترون های ذره یا به طور دقیق تر - تفاوت بین تعداد الکترون‌های ذره و تعداد الکترون‌ها در حجم مساوی از محیط اطراف ذره (به ترتیب حجم ناهمگنی و چگالی الکترون‌های ماده ناهمگن و ماتریس است). با توجه به موارد فوق، دریافت می کنیم:
در مورد یک سیستم کمیاب تک پراکنده، زمانی که می توان از تداخل پرتوهای پراکنده شده توسط ذرات مختلف چشم پوشی کرد، مشخصات شدت پراکندگی محل صفر شبکه متقابل توسط سیستم حاوی ذرات در حجم تابش شده را می توان با فرمول زیر توصیف کرد. :
این فرمول (2.7) توسط Guinier به دست آمد و به نام او نامگذاری شد.
مقدار با فرمول بدست می آید:
شدت پرتو اولیه کجاست. و به ترتیب بار و جرم الکترون هستند. سرعت نور در خلاء است. فاصله نمونه تا نقطه مشاهده است.
همانطور که در شکل نشان داده شده است. در شکل 4، وابستگی‌های شدت به زاویه محاسبه‌شده با فرمول‌های (2.2) و (2.7) برای یک ذره همگن کروی با شعاع به خوبی مطابقت دارند.
| برنج. 4. پراکندگی توسط یک ذره کروی با شعاع. |
لگاریتم فرمول گینیر را می گیریم:
بنابراین، از بیان (2.8) برمی‌آید که در مورد نمایش الگوی SAXS از یک سیستم تک پراکنده از ذرات در مختصات به اندازه کافی کوچک، یک وابستگی خطی به دست می‌آید که از شیب آن می‌توان شعاع چرخش ذرات را پیدا کرد.
در مورد یک سیستم چند پراکنده، زمانی که ذرات دارای اندازه های مختلف باشند، وابستگی دیگر خطی نخواهد بود. با این حال، همانطور که مطالعات نشان می دهد، با تک پراکندگی کافی از هر نوع ذرات و عدم وجود تداخل بین ذرات در الگوی SAXS در مختصات، چندین مناطق خطی. با جداسازی این نواحی، می توان شعاع چرخش مربوط به ذرات از انواع مختلف را پیدا کرد (شکل 5).
با وجود مزایای فوق در به دست آوردن اطلاعات ساختاری، روش SAXS دارای تعدادی اشکالات قابل توجه است.
اعوجاج قابل توجهی در الگوی SAXS می تواند توسط بازتاب دوگانه براگ (RBR) ایجاد شود، که زمانی رخ می دهد که اشعه ایکس از مواد کریستالی عبور می کند. طرحی که وقوع RBS را توضیح می دهد در شکل نشان داده شده است. 6. اجازه دهید پرتو اشعه ایکس اولیه بر روی یک بلور موزاییکی متشکل از بلوک های کمی نادرست بیفتد. اگر مثلاً بلوک 1 به s0در زاویه لاف زدن υ ، سپس یک پرتو از آن منعکس می شود s 1، که در راه خود می تواند بلوک 2، واقع در رابطه با s 1در موقعیت بازتابی، بنابراین پرتو از بلوک 2 منعکس می شود s2. اگر معمولی است n 1 و n 2 به صفحات بازتابنده هر دو بلوک در یک صفحه قرار دارند (مثلاً در صفحه نقشه)، سپس پرتو s2مثل پرتو بزن s 1، به نقطه مرکزی P0رادیوگرافی بلوک 2 همچنین زمانی که به اطراف می چرخد منعکس می شود s 1پس طبیعی است n 2 به ایجاد یک زاویه (π / 2) ادامه می دهد - υ با s 1، اما دیگر در همان هواپیما با n 1 . سپس پرتو دو بار بازتاب شده از صفحه نقشه خارج می شود و در امتداد ژنراتیکس مخروط حرکت می کند که محور آن است. s 1. در نتیجه، در فیلم در نزدیکی نقطه مرکزی P0یک سکته مغزی کوتاه ظاهر می شود، که پوششی از آثار پرتوهای منعکس شده مضاعف است.
| شکل 6. نموداری که وقوع بازتاب دوگانه براگ را توضیح می دهد. |
ضربه‌های DBO عمود بر خط هستند P 0 Pاتصال نقطه مرکزی P0با حداکثر براگ پ؛طول آنها بیشتر است، هر چه زاویه موزاییک کریستال بیشتر باشد.
خلاص شدن از شر RBS هنگام مطالعه SAXS با یک کریستال کار دشواری نیست: کافی است دومی را با توجه به پرتو اولیه جهت دهی کنید تا سیستم هواپیماها ( hkl) در موقعیت بازتابی قرار نداشت.
در مطالعه پلی کریستال ها، حذف RBS عملا غیرممکن است، زیرا همیشه کریستال هایی وجود خواهند داشت که پرتو اولیه را منعکس می کنند. RBS تنها در صورت استفاده از تابش با طول موج وجود ندارد λ > d max (d max -بزرگترین فاصله بین صفحه ای برای یک کریستالیت معین). پس مثلاً در مطالعه مس باید استفاده کرد AlKα- تشعشع، که مشکلات تجربی قابل توجهی را ایجاد می کند.
در زوایای پراکندگی نسبتاً بزرگ ( ε > 10") MUR را نمی توان از اثر RBS جدا کرد. اما در ε < 2" شدت SAXS یک مرتبه بزرگتر از شدت RBS است. جداسازی SAXS واقعی از RBS در این مورد بر اساس ویژگی متفاوت وابستگی SAXS و RBS به طول موج مورد استفاده است. برای این، منحنی های شدت به دست آمده است من (ε/λ)برای مثال روی دو تابش CrKαو CuKα. اگر هر دو منحنی منطبق باشند، این نشان می دهد که همه پراکندگی ها به دلیل اثر SAXS است. اگر منحنی ها به گونه ای واگرا شوند که در هر نقطه ε/λ نسبت شدت ها ثابت است، سپس تمام پراکندگی ها به دلیل RBS است.
هنگامی که هر دو اثر وجود دارد، پس
I 1 \u003d I 1 RBS + I 1 RBS؛ I 2 \u003d I 2 RBS + I 2 RBS
B. Ya. Pines و همکاران نشان دادند که از زمان در ε 1 / λ 1 = ε 2 / λ 2
I 1 MUR / I 2 MUR = 1و I 1 DBO / I 2 DBO \u003d K,
I 2 RBS \u003d (I 1 - I 2) ε 1 / λ 1 \u003d ε 2 / λ 2 (K - 1) ،
جایی که ثابت بهبه صورت نظری برای هر مورد خاص محاسبه می شود.
از افکت RBA می توان برای تعیین میانگین زوایای جهت گیری نادرست بلوک ها در داخل بلورها یا تک کریستال ها استفاده کرد.
که در آن و شدت SAXS آزمایشی و تصحیح شده است، بردار پراش، زاویه پراکندگی، طول موج است. - ضریب ثابت؛ متغیر ادغام است. همچنین لازم به ذکر است که فرمول گینیه را می توان به طور منطقی فقط در مواردی اعمال کرد که تداخل پرتوهای پراکنده توسط ذرات مختلف، سادگی اشکال و همگنی الکترونیکی ذرات پراکنده (توپ، بیضی، صفحه در ) وجود نداشته باشد، در غیر این صورت وابستگی خواهد بود. شامل مناطق خطی نیست، و پردازش الگوهای MUR بسیار پیچیده تر می شود.
2.2. تجزیه و تحلیل ساختار نانوکامپوزیت با پراش اشعه ایکس در زوایای بزرگ و کوچک.
در بین روش های غیر مستقیم تعیین اندازه ذرات، جایگاه اصلی به روش پراش تعلق دارد. در عین حال، این روش ساده ترین و در دسترس ترین است، زیرا مطالعه اشعه ایکس سازه گسترده و به خوبی مجهز به تجهیزات مناسب است. با استفاده از روش پراش، همراه با ترکیب فاز، پارامترهای شبکه کریستالی، جابجایی های استاتیکی و دینامیکی اتم ها از وضعیت تعادل و ریزتنش های موجود در شبکه، می توان اندازه دانه ها (کریستالیت ها) را تعیین کرد.
تعیین اندازه دانه ها، ذرات (یا مناطق پراکندگی منسجم) با روش پراش بر اساس تغییر شکل نمایه بازتاب پراش با کاهش اندازه دانه است. هنگام بحث در مورد پراش، پراکندگی منسجم به عنوان پراکندگی تابش پراش درک می شود که تحقق شرایط تداخل را تضمین می کند. در حالت کلی، اندازه یک دانه ممکن است با اندازه ناحیه پراکندگی منسجم مطابقت نداشته باشد.
در آزمایش‌های پراش، عیوب ساختاری با گسترش بازتاب‌های پراش از یک پلی کریستال یا پودر بررسی می‌شوند. با این حال، در کاربرد عملی این روش برای تعیین اندازه دانه، اغلب عرض بازتاب های پراش از یک ماده با دانه های درشت (ذرات) و از همان ماده موجود در نانواستات مقایسه می شود. چنین تعریفی از انبساط و تخمین بعدی اندازه متوسط ذرات همیشه صحیح نیست و می تواند خطای بسیار بزرگ (چند صد درصد) بدهد. نکته این است که انبساط باید نسبت به بازتاب های پراش از یک کریستال بی نهایت بزرگ تعیین شود. در واقع، این بدان معناست که عرض اندازه‌گیری‌شده بازتاب‌های پراش باید با عرض ابزار مقایسه شود، یعنی با عرض تابع تفکیک پراش سنج که در یک آزمایش پراش خاص از پیش تعیین شده است. بعلاوه، تعریف دقیقعرض بازتاب های پراش تنها با بازسازی نظری شکل بازتاب تجربی امکان پذیر است. بسیار مهم است که علاوه بر اندازه کوچک بلورها، دلایل فیزیکی دیگری برای گسترش بازتاب های پراش وجود داشته باشد. بنابراین، نه تنها تعیین میزان انبساط مهم است، بلکه جداسازی سهم آن دقیقاً به دلیل اندازه ذرات کوچک است.
از آنجایی که روش پراش برای تعیین اندازه ذرات رایج ترین و مقرون به صرفه ترین است، ویژگی های کاربرد آن را با جزئیات بیشتری در نظر خواهیم گرفت.
عرض خط پراش می تواند به دلایل مختلفی بستگی داشته باشد. این موارد شامل اندازه کوچک کریستالیت ها، وجود انواع عیوب و همچنین ناهمگنی نمونه ها از نظر ترکیب شیمیایی. گشاد شدن ناشی از میکرواسترین ها و نابجایی های توزیع شده تصادفی به ترتیب بازتاب بستگی دارد و متناسب با tg υ است. میزان گشاد شدن ناشی از ناهمگنی Δ ایکس; (یا Δου)، متناسب با (sin 2 υ) / cos υ. در مورد مواد نانوکریستالی، گشاد شدن مربوط به اندازه کوچک D کریستالیت ها (D< 150 нм), причем в этом случае величина уширения пропорциональна seс υ. Рассмотрим вывод выражения, учитывающего уширение дифракционного отражения, обусловленное конечным размером частиц поликристаллического вещества.
بگذار باشد
اجازه دهید بردار پراکندگی s = 2sin υ / λ را معرفی کنیم، که در آن λ طول موج تابش است. از نظر ریاضی، دیفرانسیل آن (یا عدم قطعیت از نقطه نظر فیزیکی، زیرا در کریستال نهایی بردار موج به یک عدد کوانتومی بد تبدیل می شود) برابر است با
ds=( 2.12)
در این عبارت، مقدار d(2υ) عرض یکپارچه بازتاب پراش (خط) است که در زوایای 2υ بیان شده و بر حسب رادیان اندازه گیری می شود. عرض انتگرال به عنوان شدت انتگرال یک خط تقسیم بر ارتفاع آن تعریف می شود و مستقل از شکل خط پراش است. این امکان استفاده از عرض انتگرال را برای تجزیه و تحلیل آزمایش های پراش پرتو ایکس، سنکروترون یا نوترون انجام شده بر روی تنظیمات مختلف با توابع تفکیک پراش سنج مختلف و در فواصل زوایای مختلف فراهم می کند.
عدم قطعیت بردار پراکندگی ds با ارتفاع متوسط حجمی ستون صفحات پراکندگی منسجم نسبت عکس دارد.
جایی که د(2) عرض یکپارچه خط پراش است. در عمل، آنها اغلب از عرض انتگرال استفاده نمی کنند، بلکه از عرض کامل خط پراش در نصف ارتفاع FWHM (عرض کامل در نصف حداکثر) استفاده می کنند. رابطه بین پهنای خط انتگرال و FWHM به شکل خط پراش تجربی بستگی دارد و باید به طور خاص در هر مورد خاص تعیین شود. برای خطی به شکل مستطیل و مثلث، عرض خط یکپارچه دقیقاً برابر با FWHM است. برای توابع لورنتس و گاوس، ارتباط با عبارات زیر توصیف می شود: د(2) L ≈ 1.6∙FWHM L (2) و د(2) G ≈ 1.1∙FWHM G (2)، و برای تابع شبه Voigt، که در زیر در نظر گرفته خواهد شد، این رابطه پیچیده تر است و به نسبت مشارکت گاوس و لورنتس بستگی دارد. برای خطوط پراش در زوایای کوچک، رابطه بین گسترش انتگرال و FWHM را می توان برابر با d(2) ≈ 1.47 ∙ FWHM (2) در نظر گرفت. با جایگزینی این رابطه به (2.13)، فرمول Debye را بدست می آوریم:
در حالت کلی، زمانی که ذرات یک ماده دارای شکل دلخواه هستند، اندازه متوسط ذرات را می توان با استفاده از فرمول دبای-شرر پیدا کرد:
ثابت شرر کجاست که مقدار آن به شکل ذره (کریستالیت، دامنه) و به شاخص‌های ( hkl) بازتاب پراش.
در یک آزمایش واقعی، به دلیل قدرت تفکیک محدود پراش سنج، خط پهن می شود و نمی تواند کمتر از عرض خط ابزاری باشد. به عبارت دیگر، در فرمول (2.15) نباید از عرض انعکاس FWHM(2υ) استفاده کرد، بلکه باید از گسترش آن استفاده کرد. β نسبت به عرض ابزار بنابراین، در آزمایش پراش، اندازه متوسط ذرات با روش وارن تعیین می شود:
گسترش بازتاب پراش کجاست. توجه کنید که .
پهنای کامل در نیم ارتفاع FWHM R یا عرض ابزاری یک پراش سنج را می توان بر روی یک ماده کاملاً همگن (پودر) با اندازه ذرات 1-10 میکرومتر اندازه گیری کرد. به عبارت دیگر، انعکاس باید به عنوان معیار مقایسه بدون هیچ گونه گسترش اضافی، به جز ابزاری، در نظر گرفته شود. اگر تابع تفکیک پراش سنج با تابع گاوسی توصیف شود و υ R لحظه دوم آن باشد، آنگاه FWHM R = 2.355υ R .
بازتاب های پراش با توابع گاوسی توصیف می شوند g(υ)و لورنز l(υ):
, (2.17)
یا برهم نهی آنها V ل() + (1-c) g() - شبه تابع Voigt:
سهم نسبی تابع لورنتس در شدت بازتاب کلی کجاست. پارامترهای توزیع لورنتس و گاوس. A یک عامل عادی کننده است.
اجازه دهید ویژگی های توزیع های گاوسی و لورنتسی را که در زیر مورد نیاز است در نظر بگیریم. برای توزیع گاوسی، پارامتر لحظه دوم تابع است. لحظه دوم، که در زاویه بیان می شود، به عرض کامل در نیم ارتفاع مربوط می شود که در زاویه 2 اندازه گیری می شود، با رابطه شناخته شده () = FWHM(2)/(2 2.355). این نسبت به راحتی از توزیع گاوسی بدست می آید. روی انجیر 6a توزیع گاوسی توصیف شده توسط تابع را نشان می دهد
لحظه دوم تابع گاوس کجاست، یعنی مقدار آرگومان مربوط به نقطه عطف تابع، زمانی که . اجازه دهید مقداری را پیدا کنیم که تابع (2.20) مقداری برابر با نصف ارتفاع خود می گیرد. در این مورد و از کجا . همانطور که در شکل 6 الف مشاهده می شود، عرض کامل تابع گاوسی در نصف ارتفاع برابر است.
برای توزیع لورنتس، پارامتر با نصف عرض این تابع در نصف ارتفاع منطبق است. اجازه دهید لورنتس عملکرد کند
مقداری برابر با نصف ارتفاع می گیرد، یعنی (شکل 6 ب). مقدار آرگومان که با چنین مقداری از تابع مطابقت دارد، از معادله می یابیم
از کجا و. بنابراین، برای تابع لورنتس معتبر است. لحظه دوم تابع لورنتس، یعنی مقدار آرگومان مربوط به نقطه عطف تابع را می توان از شرط پیدا کرد. محاسبه نشان می دهد که لحظه دوم تابع لورنتس است.
تابع شبه Voigt (2.19) بهترین توصیف از انعکاس پراش تجربی را در مقایسه با توابع گاوس و لورنتس ارائه می دهد.
با در نظر گرفتن این موضوع، اجازه دهید تابع تفکیک پراش سنج را به عنوان یک تابع شبه Voigt نمایش دهیم. برای ساده کردن نماد، فرض می کنیم که در (2.19) A=1. سپس
از آنجایی که تابع تفکیک برهم نهی از توابع لورنتس و گاوسی است، پس در تقریب صفر، عرض آن را می توان با عبارت تقریب زد.
اگر پس از آن . اجازه دهید برخی از تابع گاوسی مؤثر، که مساحت آن با مساحت تابع شبه Voigt منطبق است، عرض آن برابر باشد، سپس لحظه دوم چنین تابعی. بنابراین تابع شبه وضوح Voigt و تابع گاوسی موثر در نیم عرض معادل هستند. این اجازه می دهد تا در تقریب صفر، تابع (2.22) با تابع جایگزین شود
جایی که به شرط آن .
تابع تجربی، که شکل یک بازتاب پراش دلخواه را توصیف می‌کند، پیچیدگی تابع توزیع و تابع تفکیک (2.24) است، یعنی.
از (2.25) مشخص است که لحظه دوم تابع آزمایشی . (2.26)
گسترش β بازتاب پراش بر حسب عرض کامل انعکاس در نیم ارتفاع بیان می شود. hkl)برابر است
همانطور که قبلاً اشاره شد، گشاد شدن های ناشی از اندازه دانه های کوچک، تغییر شکل ها و ناهمگنی به ترتیب با sec، tg و (sin) 2 /cos متناسب است، بنابراین سه نوع مختلف از گشاد شدن را می توان به دلیل وابستگی های زاویه ای مختلف تشخیص داد. در این مورد، باید در نظر داشت که اندازه مناطق پراکندگی منسجم، تعیین شده از گسترش اندازه، می تواند با اندازه ذرات منفرد (بلورها) مطابقت داشته باشد، اما همچنین می تواند ساختار زیر دامنه را منعکس کند و میانگین فاصله بین انباشته شدن را مشخص کند. گسل ها یا اندازه موثر بلوک های موزاییکی و غیره علاوه بر این باید در نظر داشت که شکل بازتاب پراش نه تنها به اندازه، بلکه به شکل نانوذرات نیز بستگی دارد. در نانومواد غیر تک فاز، اعوجاج قابل توجهی در شکل خطوط پراش مشاهده شده ممکن است به دلیل برهم نهی بازتاب های پراش چند فاز باشد.
اجازه دهید در نظر بگیریم که چگونه می توان انبساط ناشی از چندین عامل مختلف را با استفاده از مثال محلول های جامد کاربید نانوساختار سیستم Zr C - Nb C جدا کرد. در مطالعات پرتو ایکس این محلول های جامد، مشخص شد که بازتاب های پراش در الگوهای اشعه ایکس نمونه ها (ZrС) 0.46 (NbС) 0.54 بسیار گسترش یافت. مشخص است که این محلول های جامد تمایل به تجزیه در حالت جامد دارند، اما با توجه به داده های اشعه ایکس، نمونه ها تک فاز بودند. برای روشن شدن دلیل گسترش بازتاب ها (ناهمگنی، اندازه دانه کوچک یا تغییر شکل)، یک تجزیه و تحلیل کمی از مشخصات بازتاب های پراش با استفاده از تابع شبه Voigt (2.19) انجام شد. تجزیه و تحلیل انجام شده نشان داد که عرض همه بازتاب های پراش به طور قابل توجهی از عرض تابع تفکیک پراش سنج بیشتر است.
در یک شبکه کریستالی مکعبی، بلورها دارای اندازه های یکسان در سه جهت عمود بر هم هستند. در این مورد، برای بلورهای با تقارن مکعبی، ضریب بازتاب با شاخص های مختلف میلر کریستالوگرافی (hcl)شبکه کریستالی مکعبی را می توان با فرمول محاسبه کرد
اعوجاج تغییر شکل و جابجایی ناهمگن اتم‌ها از محل‌های شبکه زمانی رخ می‌دهد که نابجایی‌ها به طور تصادفی در بخش عمده نمونه توزیع شوند. در این حالت، جابجایی های اتمی با برهم نهی جابجایی ها از هر نابجایی تعیین می شود که می تواند به عنوان یک تغییر موضعی در فواصل بین صفحه ای در نظر گرفته شود. به عبارت دیگر، فاصله بین هواپیماها به طور مداوم از (d 0 -Δd)قبل از (d 0 +Δd) (d0و Δd- فاصله بین صفحه در یک کریستال ایده آل و میانگین تغییر در فاصله بین صفحات (hcl)در حجم Vکریستال، به ترتیب). در این مورد، ارزش ε = Δd / d0ریزتغییر شکل شبکه است که مقدار تغییر شکل همگن به طور میانگین روی کریستال را مشخص می کند. حداکثر پراش از نواحی کریستال با فاصله بین صفحه ای تغییر یافته در یک زاویه ظاهر می شود. , تا حدودی با زاویه o برای یک کریستال ایده آل متفاوت است و در نتیجه بازتاب گسترده می شود. فرمول گسترش خط مرتبط با ریزتغییر شکل شبکه را می توان به راحتی با افتراق معادله Wulf-Bragg بدست آورد: .گسترش خط در یک جهت از حداکثر خط مربوط به فاصله بین صفحه د،هنگام تغییر فاصله بین صفحه ای به + Δdبرابر است، و هنگام تغییر به - (شکل 6 الف)، توابع تفکیک پراش سنج اشعه ایکس در آزمایشات ویژه روی ترکیبات درشت دانه آنیل شده که ناحیه همگنی ندارند (اندازه دانه بزرگ، عدم وجود) تعیین شد. اعوجاج تغییر شکل، و همگنی ترکیب نمونه‌ها، گسترش بازتاب‌ها را رد می‌کند: یک کریستال منفرد از سیلیکون کاربید شش ضلعی 6H-SiC و روی WC کاربید تنگستن استوکیومتری. مقایسه مقادیر یافت شده؛ ج - وابستگی انبساط تجربی بازتاب های پراش نمونه (ZrС) 0.46 (NbС) 0.54 به
Guinier A., Fournet G. پراکندگی با زاویه کوچک پرتوهای ایکس. نیویورک-لندن: جی وایلی و پسران. چاپمن و هال با مسئولیت محدود 1955.
ایگناتنکو PI، ایوانیتسین NP پراش اشعه ایکس کریستال های واقعی. - دونتسک: DSU، 2000. - 328 ص.
Rusakov, A. A. Roentgenography of metals - M .: Atomizdat, 1977. - 479 p.
گوسف A.I. نانومواد، نانوساختارها، فناوری‌های نانو. - M.: FIZMATLIT، 2005. - 416 ص.
EX = EX0 cos(wt – k0 z + j0) EY = EY0 cos(wt – k0 z + j0)
BX = BX0 cos(wt – k0 z + j0) BY = BY0 cos(wt – k0 z + j0)
جایی که t زمان، w فرکانس تابش الکترومغناطیسی، k0 عدد موج، j0 فاز اولیه است. عدد موج مدول بردار موج است و با طول موج k0 = 2π/l نسبت معکوس دارد. مقدار عددی فاز اولیه به انتخاب زمان اولیه t0=0 بستگی دارد. کمیت های EX0، EY0، BX0، BY0 دامنه های اجزای مربوطه (3.16) میدان های الکتریکی و مغناطیسی موج هستند.
بنابراین، تمام اجزای (3.16) یک موج الکترومغناطیسی صفحه با توابع هارمونیک ابتدایی به شکل زیر توصیف می شوند:
Y = A0 cos(wt – kz+j0) (3.17)
اجازه دهید پراکندگی یک موج تک رنگ پرتو ایکس را روی مجموعه‌ای از اتم‌های نمونه مورد مطالعه (روی یک مولکول، یک کریستال با اندازه محدود و غیره) در نظر بگیریم. برهمکنش یک موج الکترومغناطیسی با الکترون های اتم منجر به تولید امواج الکترومغناطیسی ثانویه (پراکنده) می شود. طبق الکترودینامیک کلاسیک، پراکندگی توسط یک الکترون منفرد در یک زاویه جامد 4p رخ می دهد و ناهمسانگردی قابل توجهی دارد. اگر تابش اولیه پرتو ایکس قطبی نباشد، چگالی شار تابش موج پراکنده با تابع زیر توصیف می‌شود.
(3.18)که در آن I0 چگالی شار اولیه تابش است، R فاصله از نقطه پراکندگی تا مکانی که تابش پراکنده تشخیص داده می شود، q زاویه پراکندگی قطبی است که از جهت بردار موج موج اولیه صفحه k0 اندازه گیری می شود. (شکل 3.6 را ببینید). پارامتر
» 2.818×10-6 نانومتر (3.19)از نظر تاریخی شعاع کلاسیک الکترون نامیده می شود.
شکل 3.6. زاویه پراکندگی قطبی q یک موج اولیه مسطح روی نمونه کوچک کروم مورد مطالعه.
یک زاویه مشخص q سطح مخروطی شکل را در فضا مشخص می کند. حرکت همبسته الکترون ها در داخل یک اتم ناهمسانگردی تابش پراکنده را پیچیده می کند. دامنه یک موج پرتو ایکس که توسط یک اتم پراکنده شده است به عنوان تابعی از طول موج و زاویه قطبی f(q, l) بیان می شود که به آن دامنه اتمی می گویند.
بنابراین، توزیع زاویه ای شدت موج اشعه ایکس پراکنده شده توسط یک اتم با فرمول بیان می شود.
(3. 20)
و نسبت به جهت بردار موج موج اولیه k0 تقارن محوری دارد. مربع دامنه اتمی f 2 را ضریب اتمی می نامند.
به عنوان یک قاعده، در تنظیمات آزمایشی برای پراش پرتو ایکس و مطالعات طیفی اشعه ایکس، آشکارساز پرتوهای ایکس پراکنده در فاصله R قرار دارد که بسیار بزرگتر از ابعاد نمونه پراکنده است. در چنین مواردی پنجره ورودی آشکارساز عنصری را از سطح فاز ثابت موج پراکنده جدا می کند که می توان آن را با دقت بالا صاف فرض کرد.
شکل 3.8. طرح هندسی پراکندگی اشعه ایکس توسط اتم های نمونه 1 تحت شرایط پراش فراونهوفر.
2 - آشکارساز اشعه ایکس، k0 - بردار موج موج اولیه اشعه ایکس، فلش های چین نشان دهنده شارهای اولیه اشعه ایکس، فلش های نقطه چین - شارهای پراکنده اشعه ایکس هستند. دایره ها اتم های نمونه مورد مطالعه را نشان می دهند.
علاوه بر این، فاصله بین اتم های همسایه نمونه تابیده شده چندین مرتبه کوچکتر از قطر پنجره ورودی آشکارساز است.
در نتیجه، در این هندسه تشخیص، آشکارساز جریانی از امواج سطحی را که توسط اتم‌های منفرد پراکنده شده است، درک می‌کند و بردارهای موج همه امواج پراکنده را می‌توان با دقت بالا موازی فرض کرد.
ویژگی های فوق پراکندگی پرتو ایکس و ثبت آنها در طول تاریخ پراش فراونهوفر نامیده می شود. این توصیف تقریبی از فرآیند پراکندگی پرتو ایکس بر روی ساختارهای اتمی امکان محاسبه الگوی پراش (توزیع زاویه ای شدت تابش پراکنده) را با دقت بالا ممکن می سازد. گواه این است که تقریب پراش فراونهوفر زیربنای روش‌های پراش اشعه ایکس برای مطالعه یک ماده است، که امکان تعیین پارامترهای سلول‌های واحد کریستال‌ها، محاسبه مختصات اتم‌ها، تعیین حضور فازهای مختلف در یک نمونه را ممکن می‌سازد. تعیین مشخصات عیوب کریستال و غیره
نمونه کریستالی کوچکی را در نظر بگیرید که حاوی تعداد محدود N اتم با یک عدد شیمیایی معین است.
ما یک سیستم مختصات مستطیلی را معرفی می کنیم. ابتدای آن با مرکز یکی از اتم ها سازگار است. موقعیت هر مرکز اتم (مرکز پراکندگی) با سه مختصات داده می شود. xj, yj, zj که j عدد اتمی است.
اجازه دهید نمونه مورد مطالعه در معرض یک موج اولیه پرتو ایکس با بردار موج k0 که به موازات محور Oz از سیستم مختصات انتخاب شده است قرار گیرد. در این مورد، موج اولیه با تابعی از شکل (3.17) نشان داده می شود.
پراکندگی اشعه ایکس توسط اتم ها می تواند هم غیرکشسان و هم کشسان باشد. پراکندگی الاستیک بدون تغییر طول موج رخ می دهد تابش اشعه ایکس. با پراکندگی غیرالاستیک، طول موج تشعشع افزایش می یابد و امواج ثانویه ناهماهنگ هستند. در ادامه، فقط پراکندگی الاستیک پرتوهای ایکس توسط اتم ها در نظر گرفته شده است.
فرض کنید L فاصله مبدا مختصات تا آشکارساز باشد. فرض کنید شرایط پراش فراونهوفر برآورده شده است. به طور خاص، این بدان معنی است که حداکثر فاصله بین اتم های نمونه تابش شده چندین مرتبه کوچکتر از فاصله L است. در این حالت، عنصر حساس آشکارساز در معرض امواج صفحه با بردارهای موج موازی k قرار می گیرد. مدول همه بردارها برابر با مدول بردار موج k0 = 2π/l است.
هر موج صفحه یک نوسان هارمونیک با فرکانس ایجاد می کند
(3.21)اگر موج اولیه به طور رضایت بخشی توسط یک هارمونیک صفحه تقریب شود، آنگاه همه امواج ثانویه (که توسط اتم ها پراکنده شده اند) منسجم هستند. اختلاف فاز امواج پراکنده بستگی به تفاوت مسیرهای این امواج دارد.
اجازه دهید یک محور کمکی یا از مبدا مختصات تا نقطه ای که پنجره ورودی آشکارساز قرار دارد ترسیم کنیم. سپس هر ثانویه منتشر شده در جهت این محور را می توان با تابع توصیف کرد
y = A1 fcos (wt– kr+ j0) (3.22)
که در آن دامنه A1 به دامنه موج اولیه A0 بستگی دارد و فاز اولیه j0 برای همه امواج ثانویه یکسان است.
موج ثانویه ساطع شده توسط یک اتم واقع در مبدأ مختصات، نوسان عنصر حساس آشکارساز را ایجاد می کند که توسط تابع توضیح داده شده است.
A1 f(q) cos(wt – kL+j0) (3.23)
سایر امواج ثانویه نوساناتی با همان فرکانس (3.21) ایجاد می کنند، اما با یک تغییر فاز با تابع (3.23) تفاوت دارند، که به نوبه خود به تفاوت در مسیر امواج ثانویه بستگی دارد.
برای سیستمی از امواج تک رنگ منسجم صفحه ای که در یک جهت خاص حرکت می کنند، تغییر فاز نسبی Dj مستقیماً با اختلاف مسیر DL متناسب است.
Dj = k×DL (3.24)
جایی که k عدد موج است
k = 2π/l. (3.25)
برای محاسبه اختلاف مسیر امواج ثانویه (3.23)، ابتدا فرض می کنیم که نمونه تابش شده یک زنجیره یک بعدی از اتم ها است که در امتداد محور مختصات Ox قرار دارد (شکل 3.9 را ببینید). مختصات اتمی با اعداد xi، (j = 0، 1، …، N-1) داده می شود، که در آن x0 = 0. سطح فاز ثابت اولیه موج هواپیماموازی با زنجیره اتم است و بردار موج k0 بر آن عمود است.
ما یک الگوی پراش مسطح را محاسبه خواهیم کرد، یعنی. توزیع زاویه ای شدت تابش پراکنده در صفحه نشان داده شده در شکل 3.9. در این حالت جهت مکان آشکارساز (به عبارت دیگر جهت محور یا کمکی) با زاویه پراکندگی که از محور Oz اندازه گیری می شود، داده می شود. در جهت بردار موج k0 موج اولیه.
شکل 3.9. طرح هندسی پراش فراونهوفر در یک صفحه معین روی یک زنجیره مستطیلی از اتم ها
بدون از دست دادن کلیت استدلال، می‌توان فرض کرد که همه اتم‌ها روی نیم محور راست Ox قرار دارند. (به جز اتمی که در مرکز مختصات قرار دارد).
از آنجایی که شرایط پراش فراونهوفر برآورده می شود، بردارهای موج همه امواج پراکنده شده توسط اتم ها به پنجره ورودی آشکارساز با بردارهای موج موازی k می رسند.
از شکل 3.9 چنین استنباط می شود که موج ساطع شده توسط یک اتم با مختصات xi فاصله تا آشکارساز L – xisin(q) را طی می کند. بنابراین، نوسان عنصر حساس آشکارساز، ناشی از موج ثانویه ساطع شده توسط اتم با مختصات xi، توسط تابع توصیف می‌شود.
A1 f(q) cos(wt – k(L– xj sin(q)) + j0) (3.26)
بقیه امواج پراکنده که وارد پنجره آشکارساز که در موقعیت مشخصی قرار دارد، شکل مشابهی دارند.
مقدار فاز اولیه j0 در اصل با لحظه شروع مرجع زمانی تعیین می شود. هیچ چیز ما را از انتخاب j0 برابر با kL باز نمی دارد. سپس حرکت عنصر حساس آشکارساز با مجموع نشان داده می شود
(3.27)
این به این معنی است که اختلاف مسیر امواج پراکنده شده توسط اتم های با مختصات xi و x0 –xisin(q) و اختلاف فاز مربوطه برابر با kxisin(q) است.
فرکانس w نوسانات امواج الکترومغناطیسی در محدوده اشعه ایکس بسیار زیاد است. برای پرتوهای ایکس با طول موج l = Å، فرکانس w به ترتیب قدر 1019 s-1 است. تجهیزات مدرن نمی توانند مقادیر لحظه ای میدان های الکتریکی و مغناطیسی (1) را با چنین تغییرات میدان سریع اندازه گیری کنند، بنابراین تمام آشکارسازهای اشعه ایکس میانگین مقدار مربع دامنه نوسانات الکترومغناطیسی را ثبت می کنند.
پراکندگی پرتوهای اشعه ایکس- پراکندگی اشعه ایکس توسط ماده ای در جهت هایی که برای آن انجام نشده است براگ - وضعیت ولف.
در یک کریستال ایده آل، پراکندگی الاستیک امواج توسط اتم های واقع در گره های دوره ای است. شبکه، در نتیجه، تنها زمانی رخ می دهد که تعیین شود. جهت ها. بردار س، همزمان با جهت بردارهای شبکه متقابل جی: Q= k 2 -ک 1، کجا ک 1 و ک 2- بردارهای موج تابشی و امواج پراکنده. توزیع شدت پراکندگی در فضای شبکه متقابل مجموعه ای از قله های لائو براگ d شکل در گره های شبکه متقابل است. جابجایی اتم ها از محل های شبکه، تناوب کریستال و تداخل را نقض می کند. تصویر در حال تغییر است در این مورد، همراه با ماکزیمم (که اگر شبکه تناوبی متوسط را بتوان در یک کریستال اعوجاج تشخیص داد باقی می ماند)، یک جزء صاف در توزیع شدت پراکندگی ظاهر می شود. I 1 (Q)، مربوط به D. r. آر. ل در مورد عیوب کریستال
همراه با پراکندگی الاستیک، D.r. آر. ل ممکن است به دلیل فرآیندهای غیر کشسان همراه با تحریک زیرسیستم الکترونیکی کریستال، یعنی پراکندگی کامپتون باشد (نگاه کنید به اثر کامپتون) و پراکندگی با تحریک پلاسما (نگاه کنید به حالت جامد پلاسما). با کمک محاسبات یا آزمایش‌ها، این مؤلفه‌ها را می‌توان با برجسته کردن D.r حذف کرد. آر. ل در مورد عیوب کریستال در مواد آمورف، مایع و گازی که نظم دوربردی وجود ندارد، پراکندگی فقط پراکنده است.
توزیع شدت من 1 (س)D. آر. آر. ل کریستال در طیف وسیعی از مقادیر س، مربوط به کل سلول واحد شبکه متقابل یا چندین سلول، حاوی اطلاعات دقیق در مورد ویژگی های کریستال و نقص آن است. تجربی من 1 (س) را می توان با استفاده از روشی با استفاده از تک رنگ به دست آورد. اشعه ایکس و به شما امکان می دهد کریستال را حول محورهای مختلف بچرخانید و جهت بردارهای موج را تغییر دهید. k 1، k 2، متفاوت است، بنابراین، سدر طیف گسترده ای از ارزش ها اطلاعات کمتری را می توان به دست آورد Debye - روش Scherreraیا روش Laue.
در یک کریستال ایده آل D.r.r.l. تنها به دلیل شیفت های حرارتی و نوسانات صفراتم های شبکه و می تواند با فرآیندهای انتشار و جذب یک یا چند مرتبط باشد. . در کوچک ساصلی نقش توسط پراکندگی یک فونون ایفا می شود که در آن فقط آواها با q=Q-G، جایی که جینزدیکترین بردار شبکه متقابل است س. شدت چنین پراکندگی من 1T ( س) در مورد بلورهای ایده آل تک اتمی، با f-loy تعیین می شود
جایی که ن- تعداد سلول های ابتدایی کریستال، f-دامنه ساختاری، - عامل دبای-والر، تیجرم یک اتم است،
- فرکانس ها و . بردارهای فونون jشاخه ام با بردار موج q. در کوچک qفرکانس، به عنوان مثال، هنگام نزدیک شدن به گره های شبکه متقابل، به اندازه 1 / افزایش می یابد. q 2. مشخص کردن برای بردارها qموازی یا عمود بر جهات، در بلورهای مکعبی، که به طور منحصر به فرد با ملاحظات داده می شود، می توان فرکانس های نوسان را برای این جهات پیدا کرد.
در بلورهای غیر ایده آل، نقص با اندازه محدود منجر به تضعیف شدت بازتاب های منظم می شود. من 0 (س) و به D.r.r.l. من 1 (س) روی یک استاتیک جابجایی و تغییر در دامنه های سازه به دلیل نقص ( س- شماره سلول نزدیک به نقص، - نوع یا جهت نقص). در کریستال های کمی اعوجاج با غلظت کم عیوب (تعداد نقص در یک کریستال) و 
شدت D.r.r.l.
اجزای فوریه کجا و هستند.
جابجایی ها با فاصله کاهش می یابد rاز نقص به عنوان 1/ r 2، در نتیجه، در کوچک qو در نزدیکی سایت های شبکه متقابل من 1 (س) با 1/ افزایش می یابد q 2. زاویه اعتیاد من 1 (س) از نظر کیفی برای عیوب متفاوت است نوع مختلفو تقارن و مقدار من 1 (س) با میزان اعوجاج اطراف عیب تعیین می شود. مطالعه توزیع من 1 (س) در کریستال های حاوی عیوب نقطه ای (به عنوان مثال، اتم های بینابینی و جاهای خالی در مواد تابیده شده، اتم های ناخالصی در محلول های جامد ضعیف)، به دست آوردن اطلاعات دقیق در مورد نوع عیوب، تقارن آنها، موقعیت در شبکه، پیکربندی اتم‌هایی که این نقص را تشکیل می‌دهند، دوقطبی نیروها را تانسور می‌کنند که با آن نقص‌ها روی کریستال عمل می‌کنند.
هنگامی که نقص نقطه به گروه ترکیب می شود، شدت من 1در زمینه کوچک qبه شدت افزایش می یابد، اما معلوم می شود که در مناطق نسبتا کوچکی از فضای شبکه متقابل در نزدیکی گره های آن متمرکز شده است، و در ( R0- اندازه نقص) به سرعت کاهش می یابد.
بررسی نواحی D. فشرده رودخانه. آر. ل مطالعه اندازه، شکل و سایر خصوصیات ذرات فاز دوم در محلول های پیری را ممکن می سازد. حلقه هایی با شعاع کوچک در تابش یا تغییر شکل یافته اند. مواد.
وقتی یعنی. غلظت عیوب بزرگ، کریستال نه تنها به صورت موضعی در نزدیکی عیوب، بلکه به طور کلی به شدت تحریف می شود، به طوری که در بیشتر حجم آن . در نتیجه عامل دبای والر و شدت بازتاب صحیح من 0کاهش تصاعدی و توزیع من 1 (س) از نظر کیفی بازسازی می شود و قله های پهن شده ای را تشکیل می دهد که کمی از محل های شبکه متقابل جابجا شده اند که عرض آنها به اندازه و غلظت عیوب بستگی دارد. از نظر تجربی، آنها به عنوان قله های براگ گسترده شده (شبه خطوط در دبایگرام) درک می شوند و در برخی موارد پراش مشاهده می شود. دوبلت متشکل از جفت قله من 0 و من 1. این اثرات در آلیاژهای پیر و مواد تابیده شده آشکار می شود.
در یک متمرکز راه حل ها، کریستال های سفارشی تک جزیی، فروالکتریک غیر ایده آل بودن به دلیل otd نیست. نقص ها و نوسانات ناهمگونی غلظت و vnutr. پارامترها و من 1 (س) را می توان به راحتی به عنوان پراکندگی توسط در نظر گرفت qهفتم نوسان موج این پارامترها ( q=Q-G). به عنوان مثال، در محلول های دوتایی A - B با یک اتم در هر سلول، غفلت از پراکندگی توسط استاتیک. جبران می کند
جایی که f A و f B-عوامل پراکندگی اتمی اتم های A و B، با- غلظت - پارامترهای همبستگی، - احتمال جایگزینی یک جفت گره جدا شده توسط یک بردار شبکه آ، اتم های A. با تعیین من 1 (س) در کل سلول شبکه متقابل و پس از انجام تبدیل فوریه f-tion، برای تجزیه یافت می شود. هماهنگی کره ها پراکندگی روی استاتیک افست بر اساس داده های شدت حذف می شود من 1 (س) در چند سلول های شبکه متقابل توزیع ها من 1 (س) همچنین می تواند برای مستقیم استفاده شود تعیین انرژی های نظم دهنده یک راه حل برای مختلف آدر مدل اندرکنش جفت و ترمودینامیکی آن. مشخصات. ویژگی های D.r.r.l. فلزی محلول هایی که امکان ایجاد پراش را دارند. روش پژوهش سطح خرپاییآلیاژها
در سیستم هایی که در حالت های نزدیک به نقاط انتقال فاز از نوع دوم و بحرانی هستند. نقاط روی منحنی های فروپاشی، نوسانات به شدت افزایش یافته و در مقیاس بزرگ می شوند. باعث انتقاد شدید می شوند. دکتر. آر. ل در مجاورت سایت های شبکه متقابل. مطالعه آن اطلاعات مهمی در مورد ویژگی های انتقال فاز و رفتار ترمودینامیک ارائه می دهد. مقادیر نزدیک به نقاط انتقال
پراکندگی پراکنده نوترون های حرارتی توسط استاتیک ناهمگنی های مشابه D.r. آر. ل و توسط f-lam های مشابه توصیف شده است. مطالعه پراکندگی نوترون امکان بررسی پویایی را نیز فراهم می کند ویژگی های ارتعاشات و نوسانات اتمی ناهمگونی ها (نگاه کنید به پراکندگی نوترون غیر الاستیک).
روشن:جیمز آر، اصول نوری پراش اشعه ایکس، ترجمه. از انگلیسی، م.، 1950; Iveronova V. I.، Revkevich G. P.، نظریه پراکندگی اشعه ایکس، ویرایش دوم، M.، 1978; Iveronova V. I.، Katsnelson A. A.، ترتیب کوتاه برد در محلول های جامد، M.، 1977; کاولی جی.، فیزیک پراش، ترجمه. از انگلیسی، م.، 1979; Krivoglaz M A.، پراش اشعه ایکس و نوترون در بلورهای غیر ایده آل، K.، 1983; او، پراکندگی پراکنده پرتوهای ایکس و نوترون ها توسط ناهمگنی های نوسانی در بلورهای غیر ایده آل، K.، 1984.
M. A. Krivoglaz.
نسبت‌هایی که در نظر گرفته‌ایم، جنبه کمی فرآیند تضعیف اشعه ایکس را نشان می‌دهند. اجازه دهید به طور خلاصه روی جنبه کیفی فرآیند یا آن دسته از فرآیندهای فیزیکی که باعث تضعیف می شوند صحبت کنیم. این اولاً جذب است، یعنی. تبدیل انرژی پرتو ایکس به انواع دیگر انرژی و ثانیاً پراکندگی، یعنی. تغییر جهت انتشار تابش بدون تغییر طول موج (پراکندگی کلاسیک تامپسون) و با تغییر طول موج (پراکندگی کوانتومی یا اثر کامپتون).
1. جذب فوتوالکتریک. کوانتوم های پرتو ایکس می توانند الکترون ها را از لایه های الکترونی اتم های ماده بیرون بکشند. آنها معمولا فوتوالکترون نامیده می شوند. اگر انرژی کوانتوم های فرودی اندک باشد، آنگاه الکترون ها را از لایه های بیرونی اتم بیرون می کنند. به فوتوالکترون ها انرژی جنبشی زیادی داده می شود. با افزایش انرژی، کوانتوم های پرتو ایکس شروع به برهمکنش با الکترون های واقع در لایه های عمیق تر اتم می کنند، که در آن انرژی اتصال با هسته بیشتر از الکترون های لایه بیرونی است. با چنین برهمکنشی، تقریباً تمام انرژی فوتون های پرتو ایکس فرودی جذب می شود و بخشی از انرژی که به فوتوالکترون ها داده می شود کمتر از حالت اول است. علاوه بر ظاهر فوتوالکترون ها، در این حالت، کوانتوم های تابش مشخصه به دلیل انتقال الکترون ها از سطوح بالاتر به سطوح نزدیک تر به هسته منتشر می شوند.
بنابراین، در نتیجه جذب فوتوالکتریک، یک طیف مشخصه از یک ماده مشخص ایجاد می شود - یک تشعشع مشخصه ثانویه. اگر یک الکترون از پوسته K خارج شود، کل طیف خط ظاهر می شود که مشخصه ماده تابیده شده است.
برنج. 2.5. توزیع طیفی ضریب جذب.
تغییر ضریب جذب جرم t/r را به دلیل جذب فوتوالکتریک، بسته به طول موج l تابش اشعه ایکس فرودی در نظر بگیرید (شکل 2.5). گسست های منحنی را جهش جذبی و طول موج مربوط به آنها را مرز جذب می نامند. هر پرش مربوط به سطح انرژی معینی از اتم K، L، M و غیره است. در l گرم، انرژی کوانتوم پرتو ایکس برای حذف یک الکترون از این سطح کافی است، در نتیجه جذب فوتون های پرتو ایکس با طول موج مشخص به شدت افزایش می یابد. کوتاه ترین پرش طول موج مربوط به حذف یک الکترون از سطح K، دوم از سطح L و غیره است. ساختار پیچیده مرزهای L و M به دلیل وجود چندین سطح فرعی در این پوسته ها است. برای پرتوهای ایکس با طول موج تا حدودی بزرگتر از l گرم، انرژی کوانتوم برای بیرون کشیدن یک الکترون از پوسته مربوطه کافی نیست، این ماده در این ناحیه طیفی نسبتاً شفاف است.
وابستگی ضریب جذب به l و زدر اثر فوتوالکتریک به صورت زیر تعریف می شود:
t / r \u003d Сl 3 ز 3 (2.11)
که در آن C ضریب تناسب است، زشماره سریال عنصر تابیده شده است، t/r ضریب جذب جرم است، l طول موج تابش اشعه ایکس فرودی است.
این وابستگی بخش های منحنی را در شکل 2.5 بین جهش های جذبی توصیف می کند.
2. پراکندگی کلاسیک (منسجم).نظریه امواج پراکندگی را توضیح می دهد. زمانی اتفاق می‌افتد که یک کوانتوم پرتو ایکس با الکترون یک اتم برهمکنش می‌کند و انرژی کوانتوم برای بیرون کشیدن الکترون از این سطح کافی نیست. در این مورد، طبق نظریه کلاسیک پراکندگی، اشعه ایکس باعث ارتعاشات اجباری الکترون های محدود اتم ها می شود. الکترون های نوسانی، مانند همه بارهای الکتریکی نوسانی، به منبع امواج الکترومغناطیسی تبدیل می شوند که در همه جهات منتشر می شوند.
تداخل این امواج کروی منجر به ظهور یک الگوی پراش می شود که به طور طبیعی با ساختار کریستال مرتبط است. بنابراین، پراکندگی منسجم است که به دست آوردن الگوهای پراش را ممکن می کند، که بر اساس آن می توان ساختار جسم پراکنده را قضاوت کرد. پراکندگی کلاسیک زمانی اتفاق می افتد که اشعه ایکس نرم با طول موج های بیشتر از 0.3 Å از یک محیط عبور کند. قدرت پراکندگی یک اتم برابر است با:
, (2.12)
و یک گرم از یک ماده
که در آن I 0 شدت پرتو ایکس فرودی، N عدد آووگادرو، A وزن اتمی است، زشماره سریال ماده است.
از اینجا می توانید ضریب جرم پراکندگی کلاسیک s cl/r را پیدا کنید، زیرا برابر است با P / I 0 یا 
.
با جایگزینی تمام مقادیر، دریافت می کنیم 
.
از آنجایی که اکثر عناصر ز/[ایمیل محافظت شده]، 5 (به جز هیدروژن)، سپس
آن ها ضریب جرم پراکندگی کلاسیک تقریباً برای همه مواد یکسان است و به طول موج پرتو ایکس فرودی بستگی ندارد.
3. پراکندگی کوانتومی (ناهمدوس).. هنگامی که یک ماده با پرتوهای ایکس سخت (طول موج کمتر از 0.3 Å) تعامل می کند، پراکندگی کوانتومی شروع به ایفای نقش مهمی می کند، زمانی که تغییر در طول موج تابش پراکنده مشاهده می شود. این پدیده را نمی توان با نظریه موج توضیح داد، اما با نظریه کوانتومی توضیح داده می شود. بر اساس نظریه کوانتومی، چنین برهمکنشی را می توان نتیجه برخورد الاستیک کوانتوم های پرتو ایکس با الکترون های آزاد (الکترون های پوسته های بیرونی) در نظر گرفت. کوانتوم های پرتو ایکس مقداری از انرژی خود را به این الکترون ها می دهند و باعث می شوند آنها به سطوح انرژی دیگر بروند. الکترون هایی که انرژی دریافت کرده اند، الکترون های پس زدگی نامیده می شوند. کوانتوم های پرتو ایکس با انرژی hn 0 در نتیجه چنین برخوردی با زاویه y از جهت اصلی منحرف می شوند و انرژی hn 1 کمتر از انرژی کوانتوم فرودی خواهند داشت. کاهش فرکانس تابش پراکنده با رابطه زیر تعیین می شود:
hn 1 \u003d hn 0 - E otd، (2.15)
که در آن E rec انرژی جنبشی الکترون پس زدگی است.
تئوری و تجربه نشان می دهد که تغییر در فرکانس یا طول موج در حین پراکندگی کوانتومی به عدد ترتیبی عنصر بستگی ندارد. ز، اما به زاویه پراکندگی y بستگی دارد. که در آن
l y - l 0 = l = ×(1 - cos y) @ 0.024 (1 - دنج)، (2.16)
که در آن l 0 و l y طول موج کوانتوم پرتو ایکس قبل و بعد از پراکندگی است،
m 0 جرم یک الکترون در حال سکون است، جسرعت نور است
از فرمول ها می توان دریافت که با افزایش زاویه پراکندگی، l از 0 (در y = 0 درجه) به 0.048 Å (در y = 180 درجه) افزایش می یابد. برای پرتوهای نرم با طول موج حدود 1 Å، این مقدار درصد کمی در حدود 4-5٪ است. اما برای پرتوهای سخت (l = 0.05-0.01 Å)، تغییر در طول موج 0.05 Å به معنای تغییر در l به نصف یا حتی چندین برابر است.
با توجه به اینکه پراکندگی کوانتومی نامنسجم است (l متفاوت است، زاویه انتشار کوانتوم بازتابی متفاوت است، نظم دقیقی در انتشار امواج پراکنده نسبت به شبکه کریستالی وجود ندارد)، ترتیب ترتیب اتم ها بر ماهیت پراکندگی کوانتومی تأثیری ندارند. این اشعه ایکس پراکنده در ایجاد پس زمینه کلی در رادیوگرافی نقش دارد. وابستگی شدت پس زمینه به زاویه پراکندگی را می توان از نظر تئوری محاسبه کرد. کاربرد عملیدر اشعه ایکس تحلیل ساختاریندارد، زیرا دلایل مختلفی برای پس زمینه وجود دارد و ارزش کلی آن را نمی توان به راحتی محاسبه کرد.
فرآیندهای جذب فوتوالکترونیک، پراکندگی منسجم و نامنسجم که توسط ما در نظر گرفته شده است، عمدتاً تضعیف اشعه ایکس را تعیین می کند. علاوه بر آنها، فرآیندهای دیگری نیز امکان پذیر است، به عنوان مثال، تشکیل جفت الکترون-پوزیترون در نتیجه برهم کنش پرتوهای ایکس با هسته اتم. تحت تأثیر فوتوالکترون های اولیه با انرژی جنبشی بالا و همچنین فلورسانس اولیه اشعه ایکس، ثانویه، سوم و غیره ممکن است رخ دهد. تابش مشخصه و فوتوالکترونهای مربوطه، اما با انرژی کمتر. در نهایت، برخی از فوتوالکترون‌ها (و بخشی از الکترون‌های پس‌زن) می‌توانند بر سد پتانسیل موجود در سطح ماده غلبه کنند و از آن به بیرون پرواز کنند. ممکن است یک اثر فوتوالکتریک خارجی وجود داشته باشد.
با این حال، تمام پدیده های ذکر شده تأثیر بسیار کمتری بر ضریب تضعیف اشعه ایکس دارند. برای پرتوهای ایکس با طول موج از دهم تا واحد آنگستروم که معمولاً در تجزیه و تحلیل ساختاری استفاده می شود، می توان از تمام این عوارض جانبی چشم پوشی کرد و می توان فرض کرد که تضعیف پرتو اولیه اشعه ایکس از یک طرف به دلیل رخ می دهد. پراکندگی و از سوی دیگر در نتیجه فرآیندهای جذب. سپس ضریب تضعیف را می توان به صورت مجموع دو ضریب نشان داد:
m/r = s/r + t/r، (2.17)
که در آن s/r ضریب پراکندگی جرمی است که تلفات انرژی ناشی از پراکندگی منسجم و نامنسجم را در نظر می گیرد. t/r ضریب جذب جرمی است که عمدتاً تلفات انرژی ناشی از جذب فوتوالکتریک و تحریک پرتوهای مشخصه را در نظر می گیرد.
سهم جذب و پراکندگی در تضعیف پرتو اشعه ایکس معادل نیست. برای اشعه ایکس مورد استفاده در تجزیه و تحلیل ساختاری، پراکندگی نامنسجم را می توان نادیده گرفت. اگر در نظر بگیریم که مقدار پراکندگی همدوس نیز برای همه عناصر کوچک و تقریباً ثابت است، می‌توان فرض کرد که
m/r » t/r , (2.18)
آن ها که تضعیف پرتو اشعه ایکس عمدتاً با جذب تعیین می شود. در این راستا، برای ضریب تضعیف جرم، قوانین در نظر گرفته شده در بالا برای ضریب جذب جرم برای اثر فوتوالکتریک معتبر خواهد بود.
انتخاب پرتو . ماهیت وابستگی ضریب جذب (تضعیف) به طول موج تا حدودی انتخاب تابش را در مطالعات ساختاری تعیین می کند. جذب قوی در کریستال به طور قابل توجهی از شدت لکه های پراش در الگوی اشعه ایکس می کاهد. علاوه بر این، فلورسانس که با جذب قوی رخ می دهد، فیلم را روشن می کند. بنابراین، کار در طول موج هایی که کمی کمتر از حد جذب ماده مورد مطالعه است، بی فایده است. این را می توان به راحتی از نمودار شکل 1 فهمید. 2.6.
1. اگر آندی متشکل از همان اتم های ماده مورد مطالعه ساطع کند، به عنوان مثال، حد جذب را دریافت خواهیم کرد.
شکل 2.6. تغییر در شدت اشعه ایکس هنگام عبور از یک ماده.
لبه جذب پتاسیم کریستال (شکل 2.6، منحنی 1) نسبت به تابش مشخصه آن به ناحیه طول موج کوتاه طیف، اندکی جابه جا می شود. این جابجایی از مرتبه 0.01-0.02 Å نسبت به خطوط لبه طیف خط است. همیشه در موقعیت طیفی گسیل و جذب همان عنصر صورت می گیرد. از آنجایی که جهش جذب مربوط به انرژی است که باید برای حذف یک الکترون از سطح خارج از اتم صرف شود، سخت ترین خط سری K مربوط به انتقال به سطح K از دورترین سطح اتم است. واضح است که انرژی E مورد نیاز برای بیرون کشیدن یک الکترون از یک اتم همیشه تا حدودی بیشتر از انرژی آزاد شده زمانی است که یک الکترون از دورترین سطح به همان سطح K حرکت می کند. از انجیر 2.6 (منحنی 1) نتیجه می شود که اگر آند و کریستال مورد مطالعه یک ماده باشند، شدیدترین تشعشع مشخصه، به ویژه خطوط Ka و Kb، در ناحیه جذب ضعیف کریستال نسبت به مرز جذب بنابراین، جذب چنین تشعشعی توسط کریستال کم است و فلورسانس ضعیف است.
2. اگر آندی را بگیریم که عدد اتمی آن ز 1 بیشتر از کریستال مورد مطالعه، سپس تابش این آند، طبق قانون موزلی، تا حدودی به ناحیه طول موج کوتاه منتقل می شود و نسبت به حد جذب همان ماده مورد مطالعه، همانطور که در شکل نشان داده شده است، قرار می گیرد. 2.6، منحنی 2. در اینجا خط Kb جذب می شود، به همین دلیل فلورسانس ظاهر می شود، که می تواند در عکسبرداری اختلال ایجاد کند.
3. اگر اختلاف اعداد اتمی 2-3 واحد باشد ز، سپس طیف انتشار چنین آندی حتی بیشتر به ناحیه موج کوتاه تغییر می کند (شکل 2.6، منحنی 3). این مورد حتی نامطلوب تر است، زیرا اولاً انتشار اشعه ایکس به شدت ضعیف می شود و ثانیاً فلورسانس قوی فیلم را در طول فیلمبرداری روشن می کند.
بنابراین مناسب ترین آند آند است که تابش مشخصه آن در ناحیه جذب ضعیف نمونه مورد مطالعه قرار دارد.
فیلترها. اثر جذب انتخابی در نظر گرفته شده توسط ما به طور گسترده ای برای تضعیف بخش طول موج کوتاه طیف استفاده می شود. برای این کار یک فویل به ضخامت چند صدم در مسیر پرتوها قرار می گیرد. میلی مترفویل از ماده ای ساخته شده است که شماره سریال آن 1 تا 2 واحد کمتر از آن است زآند در این مورد، مطابق شکل 2.6 (منحنی 2)، لبه باند جذب فویل بین خطوط انتشار Ka - و Kb - قرار دارد و خط Kb - و همچنین طیف پیوسته، خواهد بود. بسیار ضعیف شود میرایی Kb در مقایسه با تابش Ka حدود 600 است. بنابراین، ما تابش b را از تابش a فیلتر کرده ایم، که تقریباً در شدت تغییر نمی کند. فیلتر می تواند یک فویل ساخته شده از ماده ای باشد که شماره سریال آن 1 تا 2 واحد کمتر است زآند به عنوان مثال، هنگام کار بر روی تشعشعات مولیبدن ( ز= 42)، زیرکونیوم می تواند به عنوان یک فیلتر عمل کند ( ز= 40) و نیوبیم ( ز= 41). در سریال Mn ( ز= 25)، Fe ( ز= 26)، شرکت ( ز= 27) هر یک از عناصر قبلی می تواند به عنوان یک فیلتر برای عنصر بعدی باشد.
واضح است که فیلتر باید خارج از محفظه ای که کریستال در آن گرفته می شود قرار گیرد تا فیلم در معرض پرتوهای فلورسانس قرار نگیرد.
اشعه ایکس امواج الکترومغناطیسی با طول موج تقریباً 80 تا 10-5 نانومتر هستند. طولانی ترین طول موج اشعه ایکس توسط اشعه ماوراء بنفش با طول موج کوتاه و با طول موج کوتاه توسط تابش γ با طول موج بلند پوشش داده می شود. با توجه به روش تحریک، تابش اشعه ایکس به bremsstrahlung و مشخصه تقسیم می شود.
31.1. دستگاه تیوب اشعه ایکس. اشعه ایکس Bremsstrahlung
رایج ترین منبع اشعه ایکس لوله اشعه ایکس است که یک دستگاه خلاء دو الکترودی است (شکل 31.1). کاتد گرم شده 1 الکترون ساطع می کند 4. آند 2 که اغلب به عنوان آنتی کاتد شناخته می شود، دارای یک سطح شیبدار به منظور هدایت پرتوهای ایکس حاصله است. 3 با زاویه نسبت به محور لوله. آند از یک ماده بسیار رسانای گرما ساخته شده است تا گرمای ایجاد شده در اثر برخورد الکترون ها را حذف کند. سطح آند از مواد نسوز با عدد اتمی بزرگ در جدول تناوبی مانند تنگستن ساخته شده است. در برخی موارد، آند به طور خاص با آب یا روغن خنک می شود.
برای لوله های تشخیصی، دقت منبع اشعه ایکس مهم است که می توان با تمرکز الکترون ها در یک مکان از آنتی کاتد به آن دست یافت. بنابراین، به طور سازنده، دو وظیفه متضاد باید در نظر گرفته شود: از یک طرف، الکترون ها باید در یک محل آند بیفتند، از طرف دیگر، برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، توزیع الکترون ها در قسمت های مختلف آند مطلوب است. آند به عنوان یکی از راه حل های فنی جالب، یک لوله اشعه ایکس با یک آند چرخان است (شکل 31.2).
در نتیجه کاهش سرعت یک الکترون (یا ذره باردار دیگر) توسط میدان الکترواستاتیک هسته اتم و الکترون های اتمی ماده آنتی کاتد، تشعشعات برمسترالونگ
مکانیسم آن را می توان به صورت زیر توضیح داد. بار الکتریکی متحرک با میدان مغناطیسی همراه است که القای آن به سرعت الکترون بستگی دارد. هنگام ترمز، مغناطیسی
القایی و مطابق با نظریه ماکسول، یک موج الکترومغناطیسی ظاهر می شود.
هنگامی که الکترون ها کاهش می یابند، تنها بخشی از انرژی صرف ایجاد یک فوتون پرتو ایکس می شود، بخش دیگر صرف گرم کردن آند می شود. از آنجایی که نسبت بین این بخش‌ها تصادفی است، وقتی تعداد زیادی الکترون کاهش می‌یابد، یک طیف پیوسته از تابش اشعه ایکس تشکیل می‌شود. در این راستا به bremsstrahlung پیوسته نیز گفته می شود. روی انجیر شکل 31.3 وابستگی شار پرتو ایکس به طول موج λ (طیف) را در ولتاژهای مختلف در لوله اشعه ایکس نشان می دهد: U 1< U 2 < U 3 .
در هر یک از طیف ها، کوتاه ترین طول موج bremsstrahlung λ ηίη زمانی بوجود می آید که انرژی بدست آمده توسط یک الکترون در یک میدان شتاب دهنده به طور کامل به انرژی یک فوتون تبدیل شود:
توجه داشته باشید که بر اساس (31.2) یکی از دقیق ترین روش ها برای تعیین تجربی ثابت پلانک ایجاد شده است.
پرتوهای ایکس با طول موج کوتاه معمولاً قدرت نفوذ بیشتری نسبت به طول موج های بلند دارند و به آنها می گویند. سخت،و موج بلند نرم
با افزایش ولتاژ در لوله اشعه ایکس، ترکیب طیفی تابش تغییر می کند، همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود. 31.3 و فرمول (31.3)، و سفتی را افزایش دهید.
اگر دمای رشته کاتد افزایش یابد، انتشار الکترون و جریان در لوله افزایش می یابد. این باعث افزایش تعداد فوتون های اشعه ایکس می شود که در هر ثانیه ساطع می شوند. ترکیب طیفی آن تغییر نخواهد کرد. روی انجیر 31.4 طیف bremsstrahlung اشعه ایکس را با ولتاژ یکسان، اما در جریان های رشته ای کاتدی متفاوت نشان می دهد: / n1< / н2 .
شار اشعه ایکس با فرمول محاسبه می شود:
جایی که Uو من-ولتاژ و جریان در لوله اشعه ایکس؛ ز- شماره سریال اتم ماده آند؛ ک- ضریب تناسب. طیف به دست آمده از آنتی کاتدهای مختلف به طور همزمان Uو I H در شکل نشان داده شده است. 31.5.
31.2. تابش اشعه ایکس مشخصه. طیف اشعه ایکس اتمی
با افزایش ولتاژ روی لوله اشعه ایکس، می توان متوجه ظاهر خطی شد که مربوط به
اشعه ایکس مشخصه(شکل 31.6). این به دلیل این واقعیت است که الکترون‌های شتاب‌دار به عمق اتم نفوذ می‌کنند و الکترون‌ها را از لایه‌های داخلی خارج می‌کنند. الکترون‌ها از سطوح بالا به مکان‌های آزاد حرکت می‌کنند (شکل 31.7)، در نتیجه، فوتون‌های تابش مشخصه گسیل می‌شوند. همانطور که از شکل مشخص است، تابش پرتو ایکس از سری تشکیل شده است ک، ل، مو غیره که نام آنها برای تعیین لایه های الکترونیکی استفاده می شود. از آنجایی که انتشار سری K فضا را در لایه های بالاتر آزاد می کند، خطوط سری های دیگر به طور همزمان منتشر می شوند.
برخلاف طیف های نوری، طیف های پرتو ایکس مشخصه اتم های مختلف از یک نوع هستند. روی انجیر 31.8 طیف عناصر مختلف را نشان می دهد. یکنواختی این طیف ها به این دلیل است که لایه های داخلی اتم های مختلف یکسان هستند و فقط از نظر انرژی با هم تفاوت دارند، زیرا اثر نیروی هسته با افزایش تعداد ترتیبی عنصر افزایش می یابد. این شرایط منجر به این واقعیت می شود که با افزایش بار هسته ای، طیف مشخصه به سمت فرکانس های بالاتر تغییر می کند. این الگو از شکل قابل مشاهده است. 31.8 و معروف به قانون موزلی:
جایی که v-فرکانس خط طیفی; ز-عدد اتمی عنصر ساطع کننده؛ ولیو AT- دائمی
تفاوت دیگری بین طیف نوری و اشعه ایکس وجود دارد.
طیف مشخصه اشعه ایکس یک اتم به ترکیب شیمیایی که این اتم در آن قرار دارد بستگی ندارد. به عنوان مثال، طیف اشعه ایکس اتم اکسیژن برای O، O 2 و H 2 O یکسان است، در حالی که طیف نوری این ترکیبات به طور قابل توجهی متفاوت است. این ویژگی طیف اشعه ایکس اتم اساس این نام بود مشخصه.
تابش مشخصه همیشه زمانی رخ می دهد که فضای آزاد در لایه های داخلی اتم وجود داشته باشد، صرف نظر از دلیلی که باعث آن شده است. بنابراین، برای مثال، تابش مشخصه با یکی از انواع واپاشی رادیواکتیو همراه است (نگاه کنید به 32.1)، که شامل گرفتن الکترون از لایه داخلی توسط هسته است.
31.3. برهمکنش تابش اشعه ایکس با ماده
ثبت و استفاده از تابش اشعه ایکس، و همچنین تاثیر آن بر اشیاء بیولوژیکی، توسط فرآیندهای اولیه برهمکنش یک فوتون پرتو ایکس با الکترون های اتم ها و مولکول های یک ماده تعیین می شود.
بسته به نسبت انرژی hvفوتون و انرژی یونیزاسیون 1 A و سه فرآیند اصلی وجود دارد.
پراکندگی منسجم (کلاسیک).
پراکندگی پرتوهای ایکس با طول موج بلند عمدتاً بدون تغییر در طول موج رخ می دهد و به نام منسجماگر انرژی فوتون کمتر از انرژی یونیزاسیون باشد اتفاق می افتد: hv< A و.
از آنجایی که در این حالت انرژی فوتون پرتو ایکس و اتم تغییر نمی کند، پراکندگی منسجم به خودی خود اثر بیولوژیکی ایجاد نمی کند. با این حال، هنگام ایجاد حفاظت در برابر تابش اشعه ایکس، باید امکان تغییر جهت پرتو اولیه را در نظر گرفت. این نوع برهمکنش برای تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس مهم است (به 24.7 مراجعه کنید).
پراکندگی نامنسجم (اثر کامپتون)
در سال 1922 ق.خ. کامپتون با مشاهده پراکندگی پرتوهای ایکس سخت، کاهش قدرت نفوذ پرتو پراکنده را در مقایسه با پرتو فرودی کشف کرد. این بدان معناست که طول موج پرتوهای ایکس پراکنده بیشتر از طول موج پرتوهای ایکس فرودی است. پراکندگی پرتوهای ایکس با تغییر طول موج نامیده می شود نامنسجم nym و خود پدیده - اثر کامپتوناگر انرژی فوتون پرتو ایکس از انرژی یونیزاسیون بیشتر باشد، اتفاق می افتد: hv > A و.
این پدیده به این دلیل است که هنگام تعامل با یک اتم، انرژی hvفوتون صرف تولید یک فوتون پراکنده جدید پرتو ایکس با انرژی می شود hv",جدا کردن الکترون از اتم (انرژی یونیزاسیون A u) و انتقال انرژی جنبشی به الکترون E به:
hv \u003d hv " + A و + E k.(31.6)
1 در اینجا، انرژی یونیزاسیون به عنوان انرژی مورد نیاز برای حذف الکترون های داخلی از یک اتم یا مولکول درک می شود.
از آنجایی که در بسیاری از موارد hv>> A and and اثر کامپتون روی الکترون های آزاد رخ می دهد، سپس می توانیم تقریباً بنویسیم:
hv = hv"+ E K.(31.7)
قابل توجه است که در این پدیده (شکل 31.9)، همراه با تابش اشعه ایکس ثانویه (انرژی) hv" فوتون) الکترون های پس زدن ظاهر می شوند (انرژی جنبشی E بهالکترون). سپس اتم ها یا مولکول ها به یون تبدیل می شوند.
اثر فوتوالکتریک
در اثر فوتوالکتریک، تابش اشعه ایکس توسط یک اتم جذب می شود، در نتیجه یک الکترون به بیرون پرواز می کند و اتم یونیزه می شود (فتویونیزاسیون).
سه فرآیند تعامل اصلی مورد بحث در بالا اولیه هستند، آنها به ثانویه، ثالث و غیره بعدی منجر می شوند. پدیده ها. به عنوان مثال، اتم های یونیزه شده می توانند یک طیف مشخصه ساطع کنند، اتم های برانگیخته می توانند به منابع نور مرئی تبدیل شوند (لومینسانس اشعه ایکس) و غیره.
روی انجیر 31.10 نموداری از فرآیندهای احتمالی است که هنگام ورود تابش اشعه ایکس به یک ماده رخ می دهد. ممکن است قبل از اینکه انرژی فوتون پرتو ایکس به انرژی حرکت حرارتی مولکولی تبدیل شود، چندین ده فرآیند مشابه آنچه نشان داده شده است، رخ دهد. در نتیجه تغییراتی در ترکیب مولکولی ماده ایجاد خواهد شد.
فرآیندهای نشان داده شده توسط نمودار در شکل. 31.10، زیربنای پدیده های مشاهده شده تحت تأثیر اشعه ایکس بر روی ماده است. بیایید برخی از آنها را فهرست کنیم.
لومینسانس اشعه ایکس- درخشش تعدادی از مواد تحت تابش اشعه ایکس. چنین درخششی از باریم پلاتین-سیانوژن به رونتگن اجازه داد تا پرتوها را کشف کند. این پدیده برای ایجاد صفحه های نورانی ویژه به منظور مشاهده بصری اشعه ایکس، گاهی اوقات برای تقویت عملکرد اشعه ایکس بر روی صفحه عکاسی استفاده می شود.
شناخته شده عمل شیمیاییاشعه ایکس، مانند تشکیل پراکسید هیدروژن در آب. یک مثال عملی مهم، اثر روی صفحه عکاسی است که تشخیص چنین پرتوهایی را ممکن می سازد.
اثر یونیزان در افزایش هدایت الکتریکی تحت تأثیر اشعه ایکس آشکار می شود. از این خاصیت استفاده می شود
در دزیمتری برای تعیین کمیت اثر این نوع تابش.
در نتیجه بسیاری از فرآیندها، پرتو اولیه اشعه ایکس مطابق با قانون تضعیف می شود (29.3). بیایید آن را به شکل زیر بنویسیم:
I = I0 e-/" (31.8)
جایی که μ - ضریب تضعیف خطی. می توان آن را به صورت متشکل از سه عبارت مربوط به پراکندگی همدوس μ κ، μ ΗΚ نامنسجم و اثر فوتو μ نشان داد. f:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)
شدت تابش اشعه ایکس به نسبت تعداد اتم های ماده ای که این جریان از آن عبور می کند، کاهش می یابد. اگر ماده را در امتداد محور فشرده کنیم ایکس،به عنوان مثال، در ببار با افزایش ببرابر چگالی آن، پس
31.4. مبانی فیزیکی کاربرد پرتوهای اشعه ایکس در پزشکی
یکی از مهم ترین کاربردهای پزشکی اشعه ایکس، تابش نور است. اعضای داخلیبرای اهداف تشخیصی (تشخیص اشعه ایکس).
برای تشخیص از فوتون هایی با انرژی حدود 60-120 کو استفاده می شود. در این انرژی، ضریب انقراض جرمی عمدتاً توسط اثر فوتوالکتریک تعیین می شود. مقدار آن نسبت معکوس با توان سوم انرژی فوتون (متناسب با λ 3) است که قدرت نفوذ زیادی تابش سخت را نشان می دهد و متناسب با توان سوم عدد اتمی ماده جاذب است:
تفاوت قابل توجه در جذب تابش اشعه ایکس توسط بافت های مختلف به شما امکان می دهد تصاویری از اندام های داخلی بدن انسان را در یک طرح سایه مشاهده کنید.
تشخیص اشعه ایکس در دو نسخه استفاده می شود: فلوروسکوپی تصویر بر روی صفحه نمایش نورانی اشعه ایکس مشاهده می شود، رادیوگرافی - تصویر روی فیلم ثابت شده است.
اگر اندام مورد مطالعه و بافت های اطراف اشعه ایکس را تقریباً به طور مساوی کاهش دهند، از عوامل کنتراست ویژه استفاده می شود. بنابراین، به عنوان مثال، با پر کردن معده و روده ها با توده ای از سولفات باریم، می توان تصویر سایه آنها را مشاهده کرد.
روشنایی تصویر روی صفحه و زمان نوردهی روی فیلم به شدت اشعه ایکس بستگی دارد. اگر برای تشخیص استفاده شود، پس شدت آن نمی تواند زیاد باشد تا عواقب بیولوژیکی نامطلوب ایجاد نشود. بنابراین، تعدادی دستگاه فنی وجود دارد که تصویر را در شدت کم اشعه ایکس بهبود می بخشد. نمونه ای از چنین دستگاهی لوله های تقویت کننده هستند (به 27.8 مراجعه کنید). در یک معاینه انبوه جمعیت، یک نوع رادیوگرافی به طور گسترده استفاده می شود - فلوروگرافی، که در آن تصویری از یک صفحه بزرگ درخشان اشعه ایکس بر روی یک فیلم حساس با فرمت کوچک ثبت می شود. هنگام عکسبرداری، از یک لنز با دیافراگم بزرگ استفاده می شود، تصاویر تمام شده روی یک ذره بین ویژه بررسی می شوند.
یک گزینه جالب و امیدوارکننده برای رادیوگرافی روشی است به نام توموگرافی اشعه ایکس، و "نسخه ماشینی" آن - سی تی اسکن.
بیایید این سوال را در نظر بگیریم.
رادیوگرافی ساده، ناحیه وسیعی از بدن را پوشش می‌دهد و اندام‌ها و بافت‌های مختلف روی یکدیگر سایه می‌زنند. اگر به طور دوره ای لوله اشعه ایکس را با هم در حالت آنتی فاز حرکت دهید (شکل 31.11) می توانید از این امر جلوگیری کنید. RTو فیلم Fpنسبت به شی در بارهپژوهش. بدن دارای تعدادی آخال است که در برابر اشعه ایکس مات هستند؛ آنها با دایره هایی در شکل نشان داده شده اند. همانطور که می بینید، اشعه ایکس در هر موقعیتی از لوله اشعه ایکس (1، 2 و غیره) عبور کنند
بریدن همان نقطه جسم که مرکز آن است که حرکت تناوبی نسبت به آن انجام می شود RTو Fpاین نقطه، به‌طور دقیق‌تر یک قسمت کوچک مات، با یک دایره تاریک نشان داده می‌شود. تصویر سایه او با fp،اشغال متوالی موقعیت های 1، 2 و غیره. اجزاء باقی مانده در بدن (استخوان ها، مهر و موم، و غیره) ایجاد می شود Fpبرخی از زمینه های کلی، زیرا اشعه ایکس به طور دائم توسط آنها پنهان نمی شود. با تغییر موقعیت مرکز چرخش، می توان تصویر لایه ای اشعه ایکس از بدن به دست آورد. از این رو نام - توموگرافی(ضبط لایه ای).
ممکن است، با استفاده از یک پرتو نازک اشعه ایکس، یک صفحه نمایش (به جای Fp)،متشکل از آشکارسازهای نیمه هادی پرتوهای یونیزان (نگاه کنید به 32.5)، و یک کامپیوتر، برای پردازش تصویر سایه ایکس اشعه در طول توموگرافی. این نسخه مدرن توموگرافی (توموگرافی کامپیوتری یا کامپیوتری اشعه ایکس) به شما امکان می دهد تصاویر لایه ای از بدن را بر روی صفحه یک لوله پرتو کاتدی یا روی کاغذ با جزئیات کمتر از 2 میلی متر با تفاوت در جذب اشعه ایکس دریافت کنید. تا 0.1٪. به عنوان مثال، این اجازه می دهد تا بین ماده خاکستری و سفید مغز تمایز قائل شویم و تومورهای بسیار کوچک را ببینیم.
