Х
-
ЗРАЧЕЊЕ
X-
зрачење
је
открио
немачки
физичар
Вилхелм
Рентген
(Wilhelm Conrad
Röntgen)
крајем
1895.
године
. X-
зрачење
је
електромагнетне
природе
и
ограничено
је
областима
гама
и
ултраљубичастог
зрачења
.
Строге
границе
између
ових
области
не
постоје
,
али
се
под
X-
зрачењем
обично
подразумевају
фотони
таласних
дужина
од
0.01 nm
до
10 nm,
тј
.
енергија
од
124 keV
до
124 eV. X-
зраци
таласних
дужина
од
5 nm
до
10 nm
су
меки
X-
зраци
,
зато
што
имају
малу
енергију
и
лако
се
апсорбују
.
1.
ОТКРИЋЕ
X-
ЗРАКА
Крајем
19.
века
физичари
широм
света
проучавали
су
феномене
везане
за
електрична
пражњења
у
вакуумским
цевима
(
Слика
1).
Рентген
је
1895.
године
у
својој
лабораторији
изводио
експерименте
са
катодним
зрацима
у
Круксовој
(Crookes)
цеви
.
То
је
стаклена
комора
из
које
је
извучен
ваздух
и
у
којој
су
,
на
растојању
од
неколико
центиметара
,
постављене
две
металне
електроде
,
катода
и
антикатода
(
анода
),
прикључене
на
извор
напона
.
Почевши
да
примењује
на
овим
цевима
велике
напоне
реда
неколико
десетина
хиљада
волти
,
Рентген
је
приметио
на
другом
крају
собе
флуоресцентни
сјај
на
плочи
од
баријум
-
платиноцијанида
,
иначе
флуоресцентног
материјала
.
Одмах
је
било
јасно
да
је
ова
појава
последица
зрачења
које
потиче
из
саме
цеви
.
Флуоресценција
се
настављала
и
пошто
је
цев
окружио
црним
картоном
како
би
онемогућио
пролаз
ултраљубичастих
зрака
,
до
тада
најпродорнијег
познатог
зрачења
.
Такође
,
пошто
је
цев
била
покривена
,
ни
катодни
зраци
(
електрони
)
нису
могли
да
стигну
до
флуоресцентног
материјала
.
Слика
1.
Схематски
приказ
вакуумске
цеви
.
Било
је
јасно
да
је
у
питању
много
продорније
зрачење
,
до
тада
непознато
,
па
је
и
добило
радни
назив
X-
зраци
,
који
се
задржао
до
данас
.
Кроз
додатне
експерименте
,
Рентген
је
открио
да
ови
зраци
путују
правом
линијом
,
да
пролазе
кроз
многе
супстанце
,
па
чак
и
кроз
људско
ткиво
и
кости
,
и
да
у
различитим
материјалима
имају
различите
продорности
.
Такође
,
остављају
траг
на
фотографској
плочи
.
Шест
година
након
открића
X-
зрака
, 1901.
године
,
Рентген
је
за
то
откриће
добио
Нобелову
награду
и
тиме
постао
први
добитник
ове
награде
за
физику
.
Зраци
које
је
пронашао
се
поњему
зову
и
рентгенски
зраци
.
2.
НАСТАЈАЊЕ
X-
ЗРАЧЕЊА
У
експериментрима
који
су
уследили
утврђено
је
да
је
рентгенско
зрачење
део
елекромагненог
спектра
са
таласним
дужинама
око
0.1 nm
и
да
се
састоји
од
два
дела
,
која
су
у
вези
са
његовим
начином
настанка
.
Један
део
је
континуални
спектар
,
који
не
зависи
од
врсте
материјала
аноде
,
а
други
дискретни
(
карактеристични
)
спектар
,
који
се
јавља
изнад
неке
вредности
убрзавајућег
напона
и
зависи
од
врсте
материјала
аноде
,
односно
од
редног
броја
њених
атома
.
Постоје
два
,
односно
три
,
принципа
настајања
Х
-
зрачења
.
Електрони
емитовани
са
катоде
(
термоелектронском
емисијом
и
др
.)
убрзавају
се
великом
потенцијалном
разликом
и
стичу
енегију
реда
неколико
десетина
хиљада
eV.
Брзи
електрони
стижу
до
аноде
и
улазе
у
електрично
поље
језгара
атома
од
којих
је
она
сачињена
(
Слика
2),
где
се
нагло
успоравају
.
Слика
2.
Закочно
зрачење
.
То
успорено
кретање
електрона
доводи
до
емисије
фотона
електромагнетног
зрачења
.
Енергија
емитованих
фотона
зависи
од
степена
интеракције
између
језгара
и
електрона
,
тј
.
од
раздаљине
на
коју
пролази
електрони
.
У
овом
процесу
могу
да
се
створе
фотони
практично
свих
енергија
између
нуле
и
максималне
,
која
је
одређена
укупном
кинетичком
енергијом
електрона
,
па
према
томе
резултујуће
зрачење
је
континуално
и
садржи
фотоне
свих
тих
енергија
.
Вероватноћа
за
од
виших
енергетских
нивоа
,
који
при
том
емитује
фотон
енергије
одређене
разликом
енергија
таквог
везано
-
везаног
прелаза
,
тј
.
емитује
се
квант
карактеристичног
Х
-
зрачења
(4).
Слика
4.
Теоријски
рачуната
и
мерена
расподела
континуалног
дела
спектра
.
Енергије
фотона
из
тог
дела
спектра
износе
око
10 keV,
што
је
око
хиљаду
пута
већа
енергија
од
енергије
фотона
из
оптичког
дела
спектра
.
То
значи
да
су
енергије
нивоа
између
којих
се
дешава
квантни
прелаз
истог
реда
величине
,
односно
да
се
ти
електрони
налазе
углавном
близу
језгра
,
где
је
везивна
енергија
велика
.
Описани
процес
је
могућ
ако
су
енергије
упадних
електрона
изнад
неке
критичне
вредности
(eU
kr
)
која
зависи
од
врсте
материјала
(
редног
броја
атома
)
од
којег
је
направљена
анода
.
Природу
карактеристичног
Х
-
зрачења
и
основне
законитости
дао
је
Хенри
Мозли
(Henry Moseley).
Слика
5.
Настанак
карактеристичног
X-
зрачења
.
Мозли
је
после
експеримената
Макса
фон
Лауеа
(Max von Laue)
и
Лоренса
Брага
(Lawrence Bragg)
са
дифракцијом
X-
зрака
на
кристалима
ради
одређивања
њихове
таласне
дужине
,
почео
детаљно
проучавање
спектара
X-
зрачења
различитих
хемијских
елемената
.
У
својим
првим
експериментима
1913.,
Мозли
је
проучавао
карактеристичне
K-
линије
X-
зрачења
елемената
који
су
се
налазили
испред
цинка
у
периодном
систему
.
К
-
линије
су
линије
које
настају
приликом
прелаза
електрона
са
виших
нивоа
на
K
ниво
(
Слика
6).
Следеће
године
Мозли
је
проширио
свој
рад
све
до
злата
,
користећи
још
и
L
линије
.
Истовремено
је
Нилс
Бор
(Niels Bohr)
развијао
и
публиковао
свој
квантни
модел
атома
.
Слика
6.
K
α
и
K
β
линија
у
спектру
X-
зрачења
.
Први
резултат
до
кога
је
дошао
Мозли
проучавајући
K
α
линије
(
прелаз
електрона
са
L
нивоа
на
K
ниво
)
била
је
линеарна
зависност
корена
реципрочне
врдности
таласне
дужине
X-
зрачења
од
једног
природног
броја
Z
који
је
карактеристика
елемента
чије
се
зрачење
проучава
,
а
различит
је
од
елемента
до
елемента
:
)
1
(
1
−
=
Z
d
λ
.
Узевши
у
обзир
и
друге
линије
(
Слика
7),
Мозли
је
извео
општији
закључак
уклопивши
га
у
Борову
теорију
.
Мозлијев
закон
је
облика
:
)
1
1
(
)
(
1
2
2
2
n
m
Z
R
−
−
=
δ
λ
,
где
је
δ
константа
екранирања
.
Том
константом
се
исказује
утицај
осталих
електрона
у
атому
на
електрон
који
прелази
у
ниже
енергетско
стање
,
због
њихове
интеракције
са
језгром
и
самим
електроном
који
врши
квантни
прелаз
.
Ова
формула
има
облик
сличан
облику
Борове
формуле
за
серије
спектралних
линија
водоника
.
И
овде
је
R
Ридбергова
константа
,
а
m
и
n
редни
бројеви
орбита
на
коју
и
са
које
прелази
електрон
,
респективно
.
Специјално
,
за
K
α
линије
важи
δ
≈
1, m = 1
и
n = 2,
па
се
за
константу
d
добија
:
”
нежељено
”
магнетно
закочно
зрачење
,
јер
је
смањивало
максималну
енергију
добијену
у
акцелератору
.
Тек
1956.
синхотронско
зрачење
је
први
пут
искоришћено
у
експериментима
Томбулијана
(Tomboulian)
и
Хартмана
(Hartmann).
Ово
зрачење
емитују
наелектрисане
честице
каје
се
крећу
по
кружној
путањи
у
магнетном
пољу
,
тј
.
последица
је
промене
нормалног
убрзања
,
за
разлику
од
закочног
зрачења
које
је
последица
промене
тангенцијалног
убрзања
.
Таласна
дужина
овог
зрачења
је
функција
енергије
наелектрисаних
честица
и
јачине
магнетног
поља
.
Спектар
зрачења
је
континуалан
и
карактерише
се
критичном
таласном
дужином
(
λ
c
)
која
дели
спектар
на
два
,
по
израченој
снази
,
једнака
дела
.
Критична
таласна
дужина
је
дата
са
:
2
3
3
4
cBE
E
o
c
π
λ
=
.
У
случају
да
су
наелектрисане
честице
електрони
,
имамо
:
[ ]
[ ] [
]
(
)
2
864353
.
1
GeV
E
T
B
nm
c
⋅
=
λ
.
Синхротронско
зрачење
може
да
се
производи
сатима
или
данима
,
за
разлику
од
рентгенских
цеви
које
могу
да
раде
неколико
минута
.
Врло
је
”
организовано
”,
зрак
је
поларизован
и
колимисан
.
3.
ИЗВОРИ
РЕНТГЕНСКОГ
ЗРАЧЕЊА
Било
који
брзи
електрон
који
удари
у
металну
мету
може
да
изазове
појаву
Х
-
зрака
.
Потребно
је
,
дакле
,
да
су
испуњена
три
услова
за
појављивање
рентгенског
зрачења
:
извор
електрона
,
начин
за
њихово
убрзавање
и
мета
за
интеракцију
.
Да
би
се
повећала
ефикасност
производње
и
обезбедила
контрола
над
врстом
Х
-
зрака
која
се
појављују
,
развијене
су
рентгенске
цеви
.
Ране
рентгенске
цеви
биле
су
заправо
цеви
за
пражњење
.
Састојале
су
се
од
вакуумиране
стаклене
коморе
са
одређеном
количином
радног
гаса
,
у
којој
се
налазе
затопљене
две
електроде
-
Круксова
цев
.
Успостављањем
напона
између
електрода
,
гас
се
јонизује
и
позитивни
јони
бивају
привучени
ка
катоди
,
одакле
избацују
електроне
.
Ови
електрони
у
облику
бомбардују
стаклене
зидове
цеви
и
производе
рентгенско
зрачење
(
Слика
8).
Овакве
цеви
су
производиле
меко
Х
-
зрачење
мале
енергије
и
биле
су
веома
неефикасне
.
Неопходно
је
било
смањити
површину
мете
са
које
долази
зрачење
,
јер
је
интензитет
зрачења
обрнуто
пропорционалан
површини
.
Џексон
(Jackson)
је
коришћењем
конкавне
катоде
фокусирао
сноп
електрона
на
узак
део
мете
-
тзв
. ”
фокусна
”
цев
.
Коришћене
су
електроде
од
различитих
материјала
.
Рентген
је
открио
да
најпродорније
Х
-
зраке
добија
помоћу
конкавне
алуминијске
катоде
и
аноде
од
платине
,
постављене
под
углом
од
45
о
у
односу
на
осу
катоде
(
Слика
9).
Утврђено
је
да
облик
цеви
није
битан
,
а
да
су
најбољи
материјали
за
мету
они
са
великим
атомским
бројевима
,
попут
волфрама
(
А
=184),
уранијума
(
А
=238),
платине
Ovaj materijal je namenjen za učenje i pripremu, ne za predaju.
