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

35839. Менеджмент 783 KB
  Классическая школа организации управления – Школа научного менеджмента – самая первая по времени возникновения школа в теории организации. Теоретики этой школы впервые постулировали что объект управления в организации – человек и только им можно управлять. Рассматривая организацию как единый организм Файоль определил что для любой деловой организации характерно наличие шести видов деятельности или шести функций: техническая деятельность производство: техника технология инженеры коммерческая деятельность закупка сбыт и обмен...
35840. Линейное программирование. Задачи линейного программирования 769.1 KB
  Симплексный метод решения задачи линейного программирования ЛП Симплексный метод СМ – алгебраический метод позволяющий решить задачу ЛП с помощью итераций. Идея СМ – начиная с некоторого исходного опорного решения начальной точки с учетом ограничений осуществляется последовательно направленное перемещение по опорным решениям задачи к оптимальному к точке глобального оптимума угловая точка такая что при перемещении в любую другую точку допустимой области решений значение ЦФ не убывает для задач на mx и не возрастает – на min....
35841. Методы расчета линейных электрических цепей постоянного тока 682 KB
  После нахождения контурных токов токи которые протекают в совместных ветвях находят как разности соответствующих контурных токов Метод узловых потенциалов Ток в любой ветви схемы можно найти по закону Ома для участка цепи содержащей ЭДС. Ток в данной цепи не изменяется если ветвь b включает в себя 2 разные и противоположно направленные ЭДС Ток протекающий через данную цепь можно представить как сумму двух токов где I’ – ток вызванный ЭДС E1 и всеми источниками ЭДС и тока активного двухполюсника; I’’ – ток вызванный одной ЭДС E2 Можно...
35842. Акушерство и общая медицинская теория 586.08 KB
  Особенности вскармливания недоношенных детей в неонатальном периоде и грудном возрасте. Искусственные смеси в питании недоношенных детей. Предупреждение холодового стресса в группе маловесных детей имеет для них жизненное значение. Принципы первичного туалета недоношенного аналогичны таковым у доношенных детей за исключением купания: купать можно только здоровых недоношенных родившихся с массой более 2000 г.
35843. Математические методы анализа экономики 565 KB
  Этот метод называют также методом последовательного улучшения решения плана. Решить задачу методом больших штрафов РЕШЕНИЕ: Для построения первого опорного плана систему неравенств приведем к системе уравнений путем введения дополнительных переменных переход к канонической форме. Из уравнений выражаем искусственную переменную: которую подставим в целевую функцию: Или Базисные переменные –х4 х6 Свободные переменные х1 х2 х3 х5 Полагая что свободные переменные равны 0 получим первый опорный план: X1 = 0008010 Базисное...
35844. Функция полезности: определения свойства 538.06 KB
  Самая распространенная – функция КоббаДугласа: g = fLK = 0 Одна из задач фирмы заключается в определении количества продукции и в расчете необходимых для ее выпуска затрат с учетом технологической связи между ними и заданными ценами на затраты и продукцию. Модель фирмы в условиях совершенной конкуренции. Неоклассическая теория фирмы построена на предположении что цель фирмы заключается в максимизации прибыли путем выбора вида затрат при заданной ПФ и заданных ценах на продукцию и затраты. Модель фирмы в условиях олигополии.
35847. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ РАСШИРЕНИЯ WEB-СЕРВЕРОВ 236 KB
  Диаграммы Use Cse =диаграммы прецедентов диаграммы вариантов использования Диаграмма Use Cse определяет поведение системы с точки зрения пользователя. Диаграмма Use Cse рассматривается как главное средство для первичного моделирования динамики системы используется для выяснения требований к разрабатываемой системе фиксации этих требований в форме которая позволит проводить дальнейшую разработку. Вершинами в диаграмме Use Cse являются актеры и элементы Use Cse. Элементы Use Cse представляют действия выполняемые системой в интересах...