پرتو ایکس
پرتو ایکس (X-ray) بخشی از طیف امواج الکترومغناطیس را تشکیل می دهد. اگر چه تمام این طیف در آنالیز و شناسایی مواد اهمیت دارد، ولی بخشی از پرتو ایکس به ویژه گستره 15-1 آنگستروم به خاطر استفاده بسیاری که در روش های گوناگون شناخت مواد دارد، از اهمیت بیشتری برخوردار است. از طرفی بسیاری از روش های شناسایی و آنالیز مواد، به گونه‌ای از پرتو ایکس به عنوان چشمه برانگیختگی استفاده می کنند و یا به عنوان نتیجه برانگیختگی از این پرتو بهره می برند. بنابراین، لازم است ویژگی های پرتو ایکس مانند تولید، جذب، آشکارسازی و پدیده های جانبی مربوط به آن، مانند پراش پرتو ایکس شناخته شوند.
پرتو ایکس در اثر بمباران ماده با الکترون های پرانرژی پدید می آید. هنگام برخورد الکترون ها به اتم های ماده، انرژی الکترون های بمباران کننده، به الکترون اتم های ماده منتقل می شود و بنابراین اتم های ماده برانگیخته خواهند شد. اتم برانگیخته شده، در بازگشت به حالت ابتدایی، باید انرژی خود را از دست بدهد. این برگشت، همراه با تابش یک پرتو (از جمله پرتو ایکس) خواهد بود. باید توجه کرد که ورود الکترون های بمباران کننده به درون ماده بمباران شونده، با دو پدیده همراه است. یکی ترمز شدن و کاهش تدریجی انرژی الکترون در برهم کنش با ابر الکترونی اتم های ماده که همراه با تابش پرتو از ماده با طول موج های گوناگون است و دیگری، برخورد الکترون با الکترون های اتم و بیرون راندن آن ها. در این حالت نیز اتم در حالت برانگیخته قرار می گیرد و با انتقال یک الکترون از مدار بالاتر به مدار تخلیه شده، دوباره به حالت ابتدایی بر می گردد. در برگشت از حالت برانگیخته به حالت ابتدایی، اتم باید انرژی خود را از دست بدهد که سبب تابش پرتو می شود. در این حالت، پرتو ایکس خارج شده، طول مشخصی دارد که بستگی به تفاوت انرژی مدار های اتمی خواهد داشت و بنابراین می توان آن را پرتو مشخصه نامید. در شکل روبرو این پدیده نشان داده شده است. بدیهی است که انرژی پرتو مشخصه، برابر با اختلاف دو تراز انرژی (K و L) خواهد بود. باید توجه کرد، وقتی که در مدار K یک جای خالی الکترونی پدید می آید، امکان جایگزینی الکترون از مدار های دیگر نیز وجود دارد، ولی احتمال جایگزینی برای مدار نزدیک تر به مدار K (مانند مدار L) بیشتر خواهد بود. در این حالت، پرتو مشخصه پدید آمده را Kα و در صورت جایگزینی الکترون از مدار M، آن راKβ می نامند. بنابراین، هنگام بمباران ماده توسط الکترون، به دلیل پدیده ترمز شدن و توقف تدریجی الکترون ها در میدان الکتریکی اتم و هم چنین در اثر انتقال الکترون از مدار های اتمی ماده، پرتو X پدید می آید
نمایش طیف پیوسته پرتو X و پرتوهای مشخصه مدارهای K و L
در حالت اول، پرتو پدید آمده، طول موج های گوناگونی را برحسب مقدار انرژی خواهد داشت. در صورتی که در حالت دوم، پرتو ایکس پدید آمده، طول موج مشخص و ثابتی دارد. بنابراین، طیف پرتو پدید آمده در اثر بمباران، مطابق شکل روبرو یک طیف پیوسته است که پرتو های مشخصه روی آن قرار دارند. مطابق این شکل، پرتو های مربوط به انتقال الکترون از مدار L به مدار K به خاطر انتقال انرژی کمتر، در طول موج های بلندتر پدید می آید، در حالی کهKβ که مربوط به انتقال انرژی بیشتر است، در طول موج های کوتاه تر پدید خواهد آمد. جالب توجه است کهKβ شدت پایین تری نسبت به Kα دارد و دلیل آن احتمال کمتر انتقال الکترون از مدار M به مدار K در مقایسه با مدار L به مدار K می‌باشد. پرتو X در لوله تولید پرتو ایکس پدید می آید. این لوله، وسیله ای است که در آن امکان بمباران یک هدف فلزی توسط الکترون‌های پرانرژی وجود دارد.
برای بمباران ماده با الکترون، باید فضای حرکت الکترون ها خالی از هرگونه گازی باشد و برای این که الکترون ها، انرژی زیاد داشته باشند، باید یک میدان قوی، بین چشمه پدید آورنده آن ها و هدف بمباران شونده موجود باشد. در شکل زیر اجزای لوله تولید پرتو ایکس نشان داده شده است. بخش اصلی این لوله، یک محفظه شیشه ای است که در یک طرف آن رشته تنگستن و در طرف دیگر آن آند فلزی (هدف) قرار دارد. بین رشته تنگستن و هدف، ولتاژ بالایی (به عنوان مثال 40 کیلوولت) پدید می آید تا الکترون های گسیل شده از رشته فلزی (که در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده است) را به طرف هدف شتاب دهد.
این الکترون ها در برخورد با هدف، به خاطر پدیده هایی که پیشتر به آن ها اشاره شد، پرتو ایکس پدید می آورند. پرتو ایکس پدید آمده، از یک پنجره نازک از جنس برلیوم، از دیواره کناری لوله بیرون می آید. انتخاب پنجره برلیومی به خاطر جذب کم پرتو ایکس توسط آن و نیز امکان آب بندی آن با بدنه شیشه ای است. بمباران الکترونی در لوله تولید پرتو ایکس باعث گرم شدن شدید هدف فلزی می‌شود و باید برای جلوگیری از ذوب شدن، آن را با آب سرد کرد. فلز هدف، بیشتر از جنس مس و گاهی نیز از فلزات دیگر مانند مولیبدن، کبالت، تنگستن، کروم و رودیم انتخاب می شود. پرتو خروجی از لوله، از نظر گستره طول موج و شدت، وابسته به جنس آند است و هر یک از طول موج های پرتو ایکس پدید آمده، کاربرد های ویژه ای دارند. رایج ترین لوله تولید پرتو ایکس دارای هدف فلزی از جنس مس است که در مراکز و آزمایشگاه های داخل کشور نیز بیشتر از این نوع استفاده می شود. در جدول زیر مشخصات لوله های رایج تولید پرتو X و Kα پدید آمده در هر یک و نیز حدود ولتاژ لازم دیده می شود. در برخی از لوله ها، پنجره برلیومی در انتهای لوله قرار دارد که به آن ها لوله از نوع پنجره در انتها می گویند. در این نوع لوله ها که بیشتر در دستگاه های فلورسانس پرتو ایکس استفاده می شوند، پنجره برلیومی را می توان نازک تر انتخاب کرد و بنابراین پرتو خروجی کمتر جذب می شود. در برخی از لوله های تولید پرتو ایکس، سرمایش آند توسط روغنی که در داخل لوله قرار دارد انجام می شود و نیازی به سیستم گردش آب نیست.
از
پدیده جذب می توان برای تکفام کردن پرتوهای ایکس تولید شده استفاده کرد.
بدین معنی که باریکه یک لامپ پرتوی ایکس که در ولتاژی بالاتر از VK کار می
کند نه تنها دارای خط Kα قوی، بلکه دربردارنده ی خطوط K ضعیف تر و طیف
پیوسته نیز هست. شدت این مولفه های ناخواسته نسبت به شدت خط Kα را می توان
با عبور این باریکه از فیلتر کاهش داد. این فیلتر از ماده ای تهیه شده است
که لبه جذب K در آن، میان طول موج های Kα و K ماده هدف قرار دارد.ماده
فیلتر کننده برای فلزاتی با عدد اتمی نزدیک به 30 باید دارای عدد اتمی یک
واحد کوچکتر داشته باشد. فیلتری با این ویژگی ها، به دلیل تغییر ناگهانی
ضریب جذب آن در میان این دو طول موج، مولفه K را بسیار بیشتر از مولفه Kα
جذب خواهد کرد. تاثیر عمل فیلتر کردن در شکل زیر نمایش داده شده است و این
شکل بخشی از طیف باریکه فیلتر نشده و شده از هدف مسی (با عدد اتمی 29) را
نشان می دهدکه روی نموداری از ضریب جذب جرمی نیکل (با عدد اتمی 29) قرار
گرفته ان
جذب پرتوی ایکس
در اثر انتقال انرژی
پرتو ایکس به الکترون های موجود در ماده، پرتو X جذب می شود. به عبارت
دیگر اگر انرژی پرتو ایکس سبب جا به جا کردن الکترون های ماده شود، از شدت
پرتو خروجی کاسته خواهد شد. شکل روبرو وابستگی تغییرات جذب پرتو X را به
طول موج آن نشان می دهد. در این شکل مشاهده می شود که در طول موج های
پایین (یعنی زمانی که پرتو ایکس انرژی زیادی دارد) مقدار جذب کم است و با
افزایش طول موج، به خاطر کم شدن انرژی پرتو، جذب افزایش می‌یابد. میزان جذب
متناسب با توان سوم طول موج پرتو X است. وقتی که طول موج پرتو، بیش از لبه
جذب مدار (به عنوان مثال K) باشد، میزان جذب به طور ناگهانی کاهش پیدا می
کند. بدیهی است که در این حالت، از آنجا که انرژی پرتو آنقدر نیست که
بتواند باعث جدا کردن الکترون از مدار K شود، جذب نمی شود و بنابراین
مقدار بیشتری از پرتو ایکس از ماده عبور می کند. به عبارت دیگر، پرتویی که
طول موج آن بالاتر از لبه جذب K باشد، چون نمی تواند الکترون را از مدار
خارج کند صرف این کار نمی شود و بنابراین جذب هم نمی شود. پس از لبه جذب،
با افزایش طول موج، چون انرژی پرتو، کاهش می یابد جذب آن دوباره افزایش
خواهد یافت. زمانی که طول موج بالاتر از لبه جذب L1 می شود، چون پرتو نمی
تواند از مدار L، الکترون خارج کند، بنابراین میزان جذب کاهش می یابد.
وابستگی جذب پرتوی ایکس به طول موج آن
از
آنجا که جذب پرتو ایکس، نتیجه بر هم کنش این پرتو با الکترون های ماده
است، مقدار جذب نه تنها به طول موج پرتو بستگی پیدا می کند، بلکه ساختار
اتمی ماده یا به عبارت دیگر آرایش الکترونی آن نیز در پدیده جذب تعیین
کننده خواهد بود. جذب پرتو ایکس، متناسب با توان چهارم عدد اتمی عنصر های
تشکیل دهنده ماده است. بنابراین، عنصرهای سنگین (مانند سرب) پرتو ایکس را
به شدت جذب می کنند. جذب پرتو ایکس توسط ماده، نه تنها به ویژگی های اتمی
آن بستگی دارد، بلکه به چگالی و ضخامت آن نیز وابسته است. اگر شدت پرتو
تابیده ابتدایی Io باشد، پس از عبور از لایه‌ای به ضخامت x و ضریب جذب جرمی
μ، شدت آن برابر خواهد بود با:
ρ چگالی ماده و I
شدت پرتو عبوری می‌باشد. همانطور که پیشتر اشاره شد مقدار ضریب جذب جرمی
به طول موج پرتو تابیده بستگی دارد. در جدول زیر ضریب جذب جرمی چند نوع
ماده با هم مقایسه شده است. با افزایش عدد اتمی جذب پرتو ایکس افزایش خواهد
یافت.
