3. Radiaţia X

Era în 1895 când Röntgen, studiind fluorescenţa substanţelor sub acţiunea radiaţiilor catodice generate într-un tub Crookes, a observat apariţia unei luminescenţe, pe un ecran pe care era depus un strat de platino-cianură de bariu, aflat întâmplător în apropiere. Această fluorescenţă apărea chiar dacă ecranul se afla la mai mulţi metri distanţă de tubul Crookes, sau chiar dacă cel din urmă era învelit în hârtie neagră. Concluzia lui Röntgen a fost că efectul era datorat unei misterioase radiaţii, pe care a şi numit-o radiaţie X. Experimente ulterioare au evidenţiat că această radiaţie se propagă cu o viteză egală cu viteza luminii şi nu putea fi deviată de câmpuri electrice sau magnetice. Aceasta indica faptul că ea nu era constituită din particule purtătoare de sarcină electrică, deci era posibil ca ea să fie constituită din particule fără sarcină electrică.

Ulterior, Max von Laue a demonstrat că aceste radiaţii – foarte penetrante – numite astăzi şi radiaţii Röntgen, sunt unde electromagnetice cu lungimi de undă cuprinse între aproximativ 0,01 şi 100 Å (anstromi) (1 Å = 10-10 m).

În anii ce au urmat, Röntgen a studiat puterea de penetraţie a acestor radiaţii, prin diferite materiale, şi a observat că produc fenomene de ionizare a aerului şi impresionează placa fotografică. A constatat de asemenea că, introducând drept anticatod – în tubul de descărcare în gaze rarefiate – o placă metalică, intensitatea radiaţiei X creşte. În acest fel s-a realizat primul dispozitiv de producere a radiaţiei X.

          Producerea radiaţiilor XRadiaţiile X sunt produse prin frânarea electronilor de energii înalte, de exem-plu când aceştia lovesc o ţintă metalică într-o incintă de sticlă vidată (fig. 1).

Fig. 1. Tub de raze X (a)şi schema acestuia (b).

În tubul de raze X se emit electroni, prin încălzirea la incandescenţă a filamentului. Între acesta şi anticatodul dispozitivului, diferenţa de potenţial electric este de câteva zeci de mii de volţi. Această diferenţă de potenţial va determina accelerarea puternică a electronilor emişi. Aceştia vor lovi, cu o energie cinetică mare, ţinta depusă pe anticatod (de exemplu, din tungsten) producând o emisie electromagnetică al cărei spectru este dat în figura 19.         Fig.2 Spectrul radiaţiei X emise de o ţintă metalică

Radiaţia X emisă de anticatod este rezultatul interacţiunii dintre electronii rapizi şi atomii substanţei ţintă. După cum apare în spectru, acesta este format, pe de o parte, dintr-o componentă continuă, peste care se suprapun valori caracteristice (maximele notate cuK şi K). Aceste două tipuri de spectre se datorează a două mecanisme diferite de producere: unul va produce radiaţii X de frânare (spectrul continuu) iar celălalt, radiaţie X caracteristică (spectrul discret).

A. Radiaţia X de frânareFiind de natură electromagnetică, radiaţia X poate fi considerată ca având un dublu

caracter, la fel ca lumina. Se poate vorbi de fotoni (sau cuante) X a căror energie este dată de relaţia E = h. În interiorul ţintei metalice, electronii de mare viteză îşi pot pierde energia, în urma interacţiilor cu nucleele ţintei.Dacă un electron va trece prin vecinătatea unei sarcini pozitive (nucleul unui atom al ţintei), el va fi deviat de la traiectoria iniţială, suferind o frânare. Aceasta va fi cu atât mai puternică cu cât distanţa (b) de trecere a electronului pe lângă nucleu va fi mai mică (fig. 3).

Fig.3. La trecerea prin vecinătatea unui nucleu, în urma unei interacţiuni de tip coulombian, traiectoria electronului este modificată. În această mişcare frânată el va emite fotoni (h)

După cum se ştie din teoria cuantică emisia oricărei radiaţii electromagnetice.trebuie să apară sub forma unor fotoni. Aceşti fotoni pot avea orice energie – între zero şi o valoare maximă, atinsă în cazul în care întreaga energie cinetică a electronului incident este pierdută sub forma radiaţiei X de frânare. Din această cauză, spectrul radiaţiei emise este continuu.

În cazul transferului maxim de energie, se poate scrie că pierderea totală a energiei cinetice a electronului este Ec = eU, unde U este tensiunea la care acesta a fost accelerat. Această energie se regăseşte în energia fotonului emis:

                                 (1)

În acest caz, frecvenţa fotonului X este maximă, iar lungimea de undă a radiaţiei de frânare este minimă. Deci valoarea minimă a lungimii de undă a radiaţiei produse este:

                                                                   (2)

Motivul pentru care nu toţi electronii au această lungime de undă este acela că nu toţi electronii îşi vor pierde energia într-o singură ciocnire, ci în mai multe ciocniri, în care vor fi emise radiaţii cu lungimi de undă diferite. Forma spectrului radiaţiei X de frânare nu depinde de natura ţintei, ci doar de tensiunea de accelerare (fig. 4).

Fig. 4 Familie de spectre a radiaţiei X de frânare, obşinute pentru valori diferite ale tensiunii de accelerare

B. Radiaţia X caracteristicăUn alt proces de emisie a radiaţiei X este cel în care electronul ionizează atomul ţintei scoţând un electron de pe un nivel interior al atomului (fig. 5).În această situaţie, va avea loc o rearanjare a electronilor păturilor superioare. Aceştia vor face salturi, ocupând nivelele interioare rămase libere. Ca urmare, vor fi emise cuante a căror energie corespunde diferenţei de energie (h) dintre nivelele electronice între care se realizează tranziţiile

Fig. 5 Mecanismul de emisie a radiaţiei X caracteristice

Lungimea de undă () a radiaţiei X caracteristice este dată de legea lui Moseley:  

                                                                                    (3)

unde R este constanta lui Rydberg, Z este numărul atomic al elementului emiţător, iar este o constantă (constantă de ecran) care se determină experimental. În acest caz, tranziţia electronului a avut loc de pe nivelul cuantic N pe nivelul K.

Potrivit relaţiei (3), liniile spectrale care apar ca urmare a acestui mecanism depind de numărul atomic (Z) al elementului, deci vor fi o caracteristică a atomului emisiv.

Dacă golurile de electroni apar pe stratul K, atunci acestea vor fi ocupate de electronii aflaţi pe straturile L, M, N, ceea ce va duce la apariţia liniilor K, dacă electronul efectuează tranziţia de pe nivelul L pe nivelul K; K dacă tranziţia electronului este de pe nivelul M pe K etc. În cazul în care golul apare în nivelul electronic L, vor apărea linii caracteristice notate L, dacă tranziţia are loc de pe nivelul N pe nivelul L, etc.

Se poate estima energia radiaţiei X caracteristice cu legea Moseley. Considerăm doi electroni aflaţi pe nivelul K al unui atom cu număr atomic Z; fiecare electron îl va ecrana parţial pe celălalt, faţă de nucleu. Notăm cu Ze sarcina nucleului; sarcina nucleară efectivă „văzută“ de un electron este Zef = (Z – 1)e. Ecuaţia energiei nivelului energetic n este, în acest caz:

                                                                                      (4)

Ţinând cont de existenţa celuilalt electron, relaţia (4) devine:                                                                                      (5)

unde cu E0 s-a notat energia nivelului  fundamental n.

 Pentru   

Se determină numărul atomic utilizând expresia:                  Ek = –(Z – 1)2·(13,6 eV)              (6)

Similar, se poate estima energia unui electron aflat pe un nivel L sau M. Cu diferenţa dintre energiile a două nivele se poate calcula energia fotonului emis sau frecvenţa / lungimea lui de undă.