Первичные физические эффекты, возникающие при взаимодействии рентгеновского излучения с веществом

Рассмотрим взаимодействие квантов рентгеновского излучения с атомами и молекулами вещества, в котором они распространяются. Очевидно, что результат этого взаимодействия зависит в первую очередь от энергии кванта, и здесь принято выделять следующие случаи:

· Энергия кванта меньше энергии ионизации атома (hν <E_i). Тогда на атомах вещества происходит рассеяние квантов без изменения их частоты (рис. 4а). Такое взаимодействие называется когерентным рассеянием. Когерентное рассеяние - это рассеяние излучения с сохранением частоты и с фазой, отличающейся на π от фазы первичного излучения. Таким образом, рассеянная волна может интерферировать с падающей волной или другими когерентно рассеянными волнами. Это характерно для длинноволнового (мягкого) рентгеновского излучения. Когерентное рассеяние приводит к изменению структуры падающего пучка рентгеновских лучей – если падающий на вещество пучок был параллельным, то появляются кванты, которые, подвергаясь частичному или полному поглощению веществом, распространяются в различных направлениях.

· Энергия кванта несколько превышает энергию ионизации (hν≥E_i). В этом случае электрон отрывается от атома и приобретает некоторую кинетическую энергию – происходит фотоэффект (рис. 4б). В результате фотоэффекта поглощенная энергия рентгеновского кванта вызывает ионизацию вещества.

· Энергия кванта значительно превышает энергию ионизации атомов вещества (hν >> E_i). Часть энергии hν падающего кванта идет на вырывание электрона из электронной оболочки атома вещества, другая − на образование фотона другого направления распространения и меньшей энергии hν′, а также на сообщение выбитому или свободному электрону кинетической энергии (E_k):

hν=E_i+hν′+ E_k.

Это явление называется эффектом Комптона, а рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны – некогерентным рассеянием (рис. 4в). Некогерентное рассеяние – рассеяние, при котором энергия части рассеиваемых фотонов оказывается меньше энергии квантов первичного пучка. Соответственно, длина рассеиваемой волны в этом случае отличается от длины волны падающего излучения, а их фазы никак не связаны. Таким образом, рассеянное излучение не интерферирует с когерентно рассеянным и первичным излучениями. Отмеченные первичные акты взаимодействия рентгеновского излучения и вещества могут порождать ряд вторичных процессов. В частности, возбуждение атомов и молекул вызывает рентгенолюминесценцию, что используется для создания люминесцирующих экранов, позволяющих наблюдать рентгеновские изображения [14].

Рис. 4

При рассмотренном далее, рентгеноструктурном анализе кристаллических веществ, главным образом, используется когерентно рассеянное излучение, а некогерентное чаще всего является мешающим фоном дифракционного профиля интенсивности.