19198

Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом (фотоэффект, эффект Комптона)

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 10 Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом фотоэффект эффект Комптона. Сечение фотоэффекта и его связь с линейным коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. Расчет массового коэффициента поглощения для полиатомных образцов. Полезно

Русский

2013-07-11

353 KB

6 чел.

Лекция 10

Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом (фотоэффект, эффект Комптона). Сечение фотоэффекта и его связь с линейным коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. Расчет массового коэффициента поглощения для полиатомных образцов.

Полезное соотношение при переходе от энергии фотона к длине волны

(10.1)

При прохождении пучка фотонов через твердое тело возможны следующие процессы, приводящие к ослаблению интенсивности пучка:

  •  рождение фотоэлектронов в результате фотоэффекта;
  •  комптоновское рассеяние;
  •  образование электрон-позитронных пар.

Последний из этих процессов, заключающийся в поглощении фотона с образованием электрон-позитронной пары, может происходить только в случае если энергия фотона 2mec2 = 1,02 МэВ. В методах элементного и структурного анализа фотоны с такими энергиями не используются, поэтому данный процесс рассматриваться не будет.

Комптоновское рассеяние приводит в принципе не к поглощению фотона, а к изменению направления его движения (рассеянию на угол ) с одновременным увеличением его длины волны на величину = (h/mec)(1 – cos), где h/mec = 0,0243 Å – комптоновская длина волны электрона. Энергии фотонов, используемых в методах анализа, обычно не превышают 10 кэВ, что соответствует длине волны = 1,24 Å. Поэтому, даже для максимального угла рассеяния = 90о относительное изменение длины волны в результате комптоновского рассеяния /  210-2. Кроме того, при указанных энергиях, вероятность процесса комптоновского рассеяния значительно ниже вероятности рождения фотоэлектрона. Таким образом, преобладающий вклад в ослабление пучка фотонов (рентгеновских квантов) вносит фотоэффект.

Напомним, что при фотоэффекте рентгеновский квант с энергией ħ передает всю энергию атомному электрону, в результате чего последний вылетает из атома с энергией

(10.2)

где Есв – энергия связи электрона в атоме.

Для осуществления фотоэффекта необходимо условие ħ  Есв, поэтому при фиксированной энергии кванта фотоэффект может иметь место на одних оболочках (подоболочках) и отсутствовать на других.

В соответствие с выражением (10.2), при облучении образца рентгеновскими квантами фиксированной энергии (монохроматическим рентгеновским излучением) из образца будут вылетать фотоэлектроны с различными энергиями, отвечающие различным энергиям связи. Измерив Ее и зная ħ, можно определить Есв и установить, каким атомом испущен фотоэлектрон. Эта возможность лежит в основе метода анализа, называемого рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией.

Квантовомеханический расчет дает следующее выражение для зависимости сечения фотоэффекта на оболочке (подоболочке) с энергией связи Есв

.

Так как e2ħ/mec = 5,5610-2 кэВÅ2, то, объединив все константы, получим следующее выражение

(10.3)

Если ввести ħ0 = hc/0 = Есв, то получим зависимость сечения фотоэффекта от длины волны рентгеновского излучения в виде

. (10.4)

0 называется длиной волны края поглощения (если К-оболочка, то К-край поглощения, если L1, то L1-край поглощения).

Из приведенных выражений следует, что при ħ  Есв (  0) сечение фотоэффекта стремится к бесконечности. В действительности, наблюдается резкий рост величины ph до некоторой величины, после чего сечение фотоэффекта на данной оболочке (подоболочке) становится равным нулю (ħ  Есв). При этом, естественно, сечение фотоэффекта на оболочке с меньшей энергией связи не равно нулю. На рис. 10.1а приведена зависимость сечения фотоэффекта от энергии квантов, а на рис. 10.1б – от длины волны вблизи края поглощения.

Полное сечение фотоэффекта в атоме ph складывается из сечений фотоэффекта на каждой из s оболочек/подоболочек , которые зависят от ћ и Есв данной оболочки/подоболочки.

Если сечение фотоэффекта рентгеновского кванта с энергией ћ на оболочке/подоболочке в моноатомном образце с атомной концентрацией n0 равно , тогда средняя длина свободного пробега кванта до его поглощения с выходом фотоэлектрона с s оболочки/подоболочки

,       (10.5)

где ns – число электронов на s оболочке/подоболочке.

Пусть внутри образца интенсивность потока рентгеновских квантов равна I перед входом в слой толщиной dx, тогда доля поглощенного пучка за счет фотоэффекта в этом слое есть

,

где s = n0ns.

Из этого дифференциального уравнения следует, что интенсивность потока рентгеновских квантов после прохождения образца толщиной l связана с интенсивность потока на входе в образец I0 следующим соотношением:

(10.6)

где  – коэффициент линейного поглощения. Единица измерения – см-1.

Иногда используется понятие длина ослабления – расстояние вдоль нормали к поверхности образца, на котором интенсивность рентгеновского излучения спадает в е раз. Длина ослабления обычно измеряется в мкм.

Существующие в настоящее время модели расчета , особенно при энергии кванта ћ близкой к Есв, недостаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, поэтому на практике предпочитают пользоваться экспериментально определенными значениями коэффициента линейного поглощения рентгеновских квантов различных энергий в моноатомных материалах, которые определяются по изменению интенсивности потока рентгеновских квантов после прохождения образца известной толщины.

В справочниках обычно приводятся значения массового коэффициента поглощения /, где – плотность поглотителя, единица измерения / – см2/г. Использование массового коэффициента поглощения обусловлено во-первых тем, что для определения линейного коэффициента поглощения необходимо измерять с большой точностью толщину тонкого (порядка микрона) поглотителя, для определения же массового коэффициента поглощения достаточно взвесить образец и определить площадь, облучаемую рентгеновским излучением на поглотителе, что можно сделать с существенно большей точностью. При известной плотности поглотителя очевидно, что = (/).

Во-вторых, использование массового коэффициента поглощения позволяет рассчитать / для соединения, состоящего из различных элементов по известным значениям (/)i каждого из элементов, входящего в состав соединения. Делается это следующим образом.

Пусть  – полное сечение (по всем оболочкам и подоболочкам) фотоэффекта на атоме i-го компонента соединения. Тогда линейный коэффициент поглощения в соединении может быть записан как

,

где ni и Mi – атомная концентрация и атомная масса i-го компонента в соединении, n0i – атомная концентрация моноэлементного образца, состоящего только из i-го компонента, m0 – атомная единица массы (1,6610-24 г). Произведение в круглых скобках равно линейному коэффициенту поглощения i-го компонента; произведение, стоящее в знаменателе, представляет собой плотность i-го компонента, поэтому линейный коэффициент поглощения может быть представлен в виде

.

Плотность соединения можно представить в виде  и массовый коэффициент поглощения записать как

,

где – атомная плотность соединения.

Если стехиометрический состав соединения известен, то известны и относительные концентрации каждого i-го компонента Сi. Так как Сi = ni/n, то окончательно, массовый коэффициент поглощения соединения имеет вид:

(10.7)

Иногда массовый коэффициент поглощения записывают через весовые доли Рi i-го компонента соединения ().

На рис. 10.2 в качестве примера приведена зависимость массового коэффициента поглощения в никеле от длины волны рентгеновского излучения. Сильная зависимость / следует из энергетической зависимости сечения фотоэффекта от энергии рентгеновского кванта (длины волны). При длине волны меньше К–края поглощения, определяемой как hс/(соответственно при ћ > ), кванты в основном поглощаются на К оболочке (). При длине волны большей К–края поглощения этот процесс происходит на L- подоболочках, где для массового коэффициента поглощения также наблюдаются соответственно края L1, L2 и L3 – поглощения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44637. Силы и моменты, действующие в системе электропривода 227.08 KB
  Рабочая машина соединяется с двигателем через передаточное устройство (редуктор, понижающий или повышающий скорость врашения вала двигателя, ремень, муфту, и т.д.). В узлах рабочей машины, в передаточном устройстве, а также и в двигателе при движении, возникают силы трения и инерции.
44638. Депарафинизация масляного сырья кристаллическим карбамидом 26.36 KB
  Карбамид имеет тетрагональную структуру. Его молекулы упакованы плотно, и свободные пространства, в которых могут разместиться молекулы другого вещества, отсутствуют
44639. Что такое глагол? 18.72 KB
  Что такое глагол Тип урока: закрепление изученного материала ФОУД: фронтальная индивидуальная Дидактическая цель: создать условия для тренировки алгоритма учебных действий с понятием глагол.Образовательные: систематизировать и углубить знания о глаголе; учить находить глаголы в тексте и подбирать их самостоятельно; учить определять синтаксическую роль глагола в предложении; 2. основу предложения какая тема нашего урока Сегодня у нас с вами второй урок по теме глагол. Вспомним что же такое...
44640. Одушевленные и неодушевленные имена существительные 20.39 KB
  Запишите это соединение три раза ставлю ручку на верхнюю линию рабочей строки пишу первый элемент черта с наклоном возвращаюсь по написанному пишу второй элемент – черта с закруглением вверху отрываю руку ставлю ручку чуть ниже середины рабочей строки на элемент черта с наклоном пишу третий элемент – черта с закруглением вверху и внизу; затем прописываю соединение с буквой а внимание соединение с а всегда верхнее пишу первый элемент – овал не отрывая руки пишу второй элемент черта с закруглением внизу.
44641. Наша дружная семья 17.87 KB
  Давайте откроем 40 стр. Давайте прочитаем чему научимся изучая этот раздел. Давайте его разгадаем Человек не может жить на этом свете без общения.Изучение новой темы Что такое по вашему мнению семья Давайте узнаем как толкуется слово семья в словаре Ожегова.
44642. Рассказ Ю. Ермолаева «Два пирожных» 54 KB
  У вас было составление продолжения рассказа Анна не грусти давайте заслушаем то что у вас получилось. Слушайте внимательно после я попрошу одного из учеников выйти к доске и рассказать об авторе. Первая книга его рассказов увидела свет в 1960 году. Ермолаев Юрий Иванович писал не только рассказы.
44643. Очистка нефтяных фракций селективными растворителями в экстракторе периодического действия 16.81 KB
  В результате селективной очистки существенно улучшаются два важнейших эксплуатационных свойства масел: стабильность против окисления и вязкостно-температурные свойства.
44644. Художественное моделирование из бумаги. Оригами по спирали 20.31 KB
  Цель: формирование практических навыков по выполнению оригами по спирали Задачи: 1.образовательные: Познакомить с технологией оригами по спирали развивающие: развивать логическое мышление развивать творческое воображение; воспитательные: воспитывать трудолюбие аккуратность дисциплинированность Оборудование: Для учителя: наглядный материалаппликация Для учащихся: нитки карандаш ножницы клей картон Оформление...
44645. Собственные и нарицательные имена существительные. Заглавная буква в именах существительных 19.77 KB
  Кто может еще что то добавить к этому правилу Потренируемся каждый из вас назовет свое собственное имя и так же нарицательное. пример: я учительница Бякова Наталья Сергеевна учительница – нарицательное Бякова Наталья Сергеевна – собственное я студентка –нарицательное Наташа собственное. Нарицательных имен у вас может быть несколько но запомните собственное не изменно. подобрать собственное имя.