تحقیق مقاله ویژگی های پرتو X پرتو نگاری

ویژگیهای پرتو X

مقدمه

پرتوهای X در سال 1895 ، به وسیله ی رونتگن فیزیکدان آلمانی کشف شد و از آنجا که ماهیت آنها در آن زمان ناشناخته بود ، بدین نام خوانده شدند . این پرتوها برخلاف نور معمولی نامرئی هستند اما مسیر مستقیمی را می پیماند و فیلم عکاسی را مانند نور مرئی متأثر می کنند . از سوی دیگر ، از نور با نفوذتر بوده و به آسانی از بدن انسان ، چوب ، قطعات نسبتاً ضخیم فلزی ، و دیگر اشیاء کدر عبور می کنند .

برای استفاده از هر وسیله ای همواره به شناخت کامل آن نیاز نیست ، به این دلیل تقریباً بی درنگ فیزیک دانها و چندی بعد مهندسان علاقه مند به مطالعه ساختار درونی اجسام کدر ، پرتوهای X را بکار گرفتند . با قرار دادن لامپ پرتو X در یک سوی جسم و فیلم عکاسی  در سوی دیگر ، می توان تصویری سایه مانند و یا پرتونگار به دست آورد، بخشهایی از جسم با چگالی کمتر ، نسبت به بخشهایی با چگالی بیشتر مقدار بیشتری از تابش X را عبور می دهند . بدین وسیله نقطه ی شکست در  استخوانی شکسته و یا محل ترکی در یک فلز قالب  گیری شده مشخص می شود.

بدین ترتیب پرتو نگاری بدون آگاهی دقیق از تابش بکار برده شده ، آغاز شد ، زیرا ماهیت کامل پرتوهای X تا سال 1912 ، مشخص نبود ،‌ در این سال ، پدیده ی پراش پرتو X در بلوها کشف شد ، و همزمان با این کشف ، ماهیت موجی پرتوهای  X به اثبات رسد از این رو روش جدیدی برای بررسی ریز ساختار ماده نیز فراهم شد . هر چند پرتونگاری در این نوع خود وسیله بسیار مهمی است و از زمینه ی کاربردی گسترده ای برخوردار است ، اما معمولاً توان تفکیک آن برای آشکارسازی جزئیات درونی ، تا مرتبه   محدود می شود . از سوی دیگر ، پراش می تواند به طور غیر مستقیم جزئیات ساختار درونی را تا اندازه ی  آشکار کند ، و در این کتاب به این پدیده، و کاربردهای آن در مسائل متالورژیکی پرداخته می شود . در اینجا پرتوهای X و ساختار دورنی بلورها در دو فصل اول به عنوان پیش نیازهای لازم برای بحث پراش پرتوهای X در بلوها که به دنبال خواهد آمد ، توصیف شده است.

تابش الکترومغناطیس

امروزه می دانیم که پرتوهای X ، تابش الکترومغناطیسی با ماهیتی کاملاً همانند نور مرعی ،‌‌ اما با طول موجی بسیار کوتاهتر از آن هستند ،‌ واحد اندازه گیری در ناحیه پرتو X آنگسترم  برابر با   است و پرتوهای X بکار رفته در پراش ، تقریباً طول موجهایی در گستره ی 5/0 تا  5/2 دارند ، در حالی که طول موج نور مرئی در محدوده  6000 است . بدین ترتیب پرتوهای X ،‌ ناحیه ای میان پرتوهای گاما و فرابنفش را در طیف کامل الکترومغناطیسی اشغال می کنند.

گاهی در اندازه گیری طول موج پرتو X از واحدهای دیگری مانند واحد X ، (XU) ،‌ و کیلو ‌X  (KX=1000XU) استفاده می کنند . واحد KX ،‌‏ اندکی از آنگسترم بزرگتر است که منشا آن در بخش 3 4 توصیف می شود . واحد پذیرفته شده ی SI برای طول موج در ناحیه ی پرتو X ، نانومتر است:

  نامومتر

اما این واحد رایج نشده است.

طیف پیوسته

هنگامی پرتوهای X ایجاد می شوند که شتاب هر ذره ی باردار الکتریکی با انرژی جنبشی کافی، بسرعت کند شود ، معمولاً برای چنین منظوری از الکترونها استفاده می  شود. این تابش در یک لامپ پرتو X با منبعی از الکترونها و دو الکترود فلزی ، تولید می شود . ولتاژ زیادی که به میزان چند ده هزار ولت در دو سر الکترود وجود دارد موجب گسیل الکترونها به سوی آندو یا هدف می شود و در آنجا الکترونها با سرعت زیاد به هدف برخورد می کنند . پرتوهای X در نقطه ی برخورد تولید شده و در تمام جهات منتشر می شوند. اگر e بار الکترون ( 19-10×6/1 کولمب ) و V ولتاژ دو سر الکترودها باشد ، در این صورت انرژی جنبشی ( بر حسب ژول ) الکترونها هنگام برخورد از معادله ی زیر به دست می آید.

( 3   1 )                                            

که در  آن m جرم الکترون ( kg 31- 10×11/9 ) و V سرعت آن بر  حسب متر بر ثانیه درست پیش از برخورد است . در لامپی با ولتاژ 30000 ولت ، این سرعت نزدیک به  سرعت نور است . بیشتر انرژی جنبشی الکترونهایی که به هدف برخورد می کنند به حرارت تبدیل شده و کمتر از یک درصد از این انرژی به پرتوهای X تبدیل می شود.

هنگامی پرتوهای خارج شده از هدف ، مورد واکاوی قرار گیرند ، آشکار می شود که مجموعه ای از طول موجهای گوناگون هستند ، و تغییرات شدت با طول موج ، به ولتاژ لامپ بستگی دارد .

تابشی با این منحنی ها نشان اده شده را تابش چند رنگ ،‌ پیوسته ، و یا سفید گویند ، زیرا مانند نور سفید از پرتوهایی با طول موجهای گوناگوی ساخته شده است . تابش سفید را تابش ترمزی نیز گویند که واژه ای آلمانی است ، زیرا از شتاب کاهش یافته ای الکترونها ناشی می شود.

طیف پیوسته ، از کند شدن سریع الکترونهای برخورد کننده  به هدف ناشی می شود ، زیرا همانگونه که در بالا گفته شد ، هر بار کند شونده ،  انرژی آزاد می کنند . در هر صورت ، تمام الکترونها به یک صروت کند نمی شوند ، برخی در یک برخورد متوقف شده و تمام انرژی خود را یکباره از دست می دهند ، در حالی که دیگر الکترونها به وسیله ی اتمهای هدف به این سو و آن سو منحرف شده ، و به دنبال آن ، بخشهایی از انرژی جنبشی خود را بتدریج از دست می دهند تا تمام آن مصرف شود . الکترونهایی که در یک برخورد متوقف شده و به فوتونهالی با بیشینه یا انرژی ، یعنی به پرتوهای X با کمینه ی طول موج ، تبدیل می شوند . این الکترونها ، تمام انرژی eV خود را به انرژی فوتونی تبدیل کرده و می توان نوشت:

متر

این معادله حد طول موج کوتاه ( بر حسب آنگسترم ) را بر حسب تابعی از  ولتاژ بکار برده شده V ارائه می دهد . اگر الکترونی به طور کامل در یک برخورد متوقف نشده بلکه فقط جزئی از سرعت آن بر اثر برخوردهای جنبی کاهش یابد، فقط کسری از انرژی eV آن به صورت تابش منتشر می شود . او انرژی فوتون ایجاد شده کمتر از  است . بر اساس حرکت موجی ، پرتو X مربوطه دارای بسامدی کمتر از  و طول موجی بلندتر از  خواهد بود.مجموعه ی این طول موجها طیف پیوسته را تشکیل می دهند که در گستره ای  که از  به بالا قرار می گیرد.

هنگام افزایش ولتاژ بکار برده شده به نقطه ی بالاتر و سمت چپ آشکار می شود ، زیرا تعداد فوتونهای تولید شده در ثانیه و انرژی میانگین هر فوتون ، افزایش می یابند . همه انرژی پرتو X منتشر شده در هر ثانیه که با مساحت زیر یکی از منحنی ها متناسب است و نیز به عدد اتمی Z هدف و جریان I لامپ ، یعنی تعداد الکترونهای برخورد کننده به هدف در ثانیه ، بستگی دارد . این شدت کل پرتوX ، از رابطه ی زیر به دست می آید.

( 5 1 )                                     = طیف پیوسته

که درآن A ثابت تناسب و m ثابتی با مقداری نزدیک 2 است . بنابراین در جایی که به مقادیر زیاد تابش سفید نیاز است ،‌ بایسته است برای هدف از فلز سنگینی مانند تنگستن ( 74 = Z ) و ولتاژی هر چه بالاتر استفاده کرد. توجه کنید که جنس هدف بر شدت اثر می گذارد. اما توزیع طیف پیوسته را تغییر نمی دهد.

طیف ویژه

هنگامی ولتاژ لامپ پرتو X از یک مقدار مشخص بحرانی فراتر بود . پیشینه های باریکی که ویژگی فلز هدف است در برخی از طول موجها بر روی طیف پیوسته پدیدار می شوند . از آنجا که این بیشینه ها باریک بوده و طول موج آنها از ویژگی جنس فلز هدف بکار برده می باشد، به آنها خطوط ویژه می گویند . این خطوط به چند مجموع به نامهای L,K و M و مانن دآنها بر حسب افزیش طول موج رده بندی می شوند . تمام این خطوط ،‌ طیف پیوسته فلز بکار برده شده به عنوان هدف را تشکیل می دهند . برای یک هدف مولیبدنی ،‌ خطوط K طول موجهایی نزدیک به 7/0 ، خطوط L نزدیک به 5 ، و خطوط M طول موجهای بلندتر به آسانی جذب می شوند . در مجموعه K چندین خط وجود دارد ، اما در کارهای معمولی پراش فقط شدیدترین سه خط این مجموعه عبارت است از  و برای مولیبدن طول موجهای آنها تقریباً برابر هستند با:

 709/0 :

 714/0 :

 632/0 :

طول موج مؤلفه های  آنقدر به یکدیگر نزدیکند که همواره به عنوان یک خط در نظر گرفته می شوند ، در صورت جدا شدن Ka دوتایی ، و در غیر اینصورت ، فقط خط Ka خوانده می شود.

همچنین  معمولاً به صورت خط  ،‌ با حذف زیر نویس 1 نمایش داده می شود . شدت  همواره نزدیک به 2 برابر  است ، در حالیکه نسبت شدت   به  به عدد اتمی هدف بستگی داشته ، اما میانگین این نبت نزدیک به  است. 

از آنجا که ولتاژ بحرانی برانگیختگی ، یعنی ولتاژ لازم برای  انگیختن تابش ویژه K برای مولیبدن KV 01/20 است، افزایشی در ولتاژ بالاتر از این ولتاژ بحرانی شدت خطوط ویژه را نسبت به طیف پیوسته افزایش می دهد ، اما طول موج آنها را تغییر نمی دهد. افزایش ولتاژ ، طیف پیوسته را به طول موجهای کوتاهتر تغییر مکان داده و نیز شدت خطوط K را نسبت به طیف پیوسته افزایش داده ،‌ اما طول موج آنها را تغییر نداده است.

شدت هر خط ویژه که در بالای طیف پیوسته اندازه گیری می شود ، هم به جریان I لامپ و هم به مقدار اختلاف ولتاژ بکار برده شده v مازاد بر ولتاژ بحرانی برانگیختگی آن خط بستگی دارد. برای یک خط K ، شدت تقریباً برابر است با :

( 6 1 )                                     

که در آن B ثابت تناسب ،‌‌ ولتاژ برانگیختگی k ، و n ثابتی است با مقدار تقریبی 5/1 . ( در حقیقت n یک ثابت واقعی نیست ، بکله به V بستگی داشته و از 1 تا 2 تغییر می کند. ) شدت یک خط ویژه می تواند نسبتاً بزرگ باشد: برای مثال ، در تابشی ناشی از یک هدف مسی که با kV 30 عمل می کند ، شدت خط Ka تقریباً 90 بار بیشتر از شدت طول موجهای همجوار نزدیک با آن در طیف پیوسته است . افزون بر شدت ، خطوط ویژه همچنین بسیار باریک هستند ، و اغلب آنها پهنایی کمتر از  001/0 دارند که در نیمی از شدت بیشینه ی آنها اندازه گیری شده است . وجود این خط تیز و پرشدت Ka است که تا اندازه زیادی پراش پرتو X را فراهم می کند زیرا در بسیاری از آزمایشهای پراش ، به تابش تکفام و یا تقریباً تکفام نیاز است.

خطوط ویژه پرتوX به وسیله ی دبلیو . اچ . براگ کشف شد و اچ . جی . موزلی آن را تنظیم کرد . موزلی ، دریافت که طول موج هر خط ویژه هنگامی کاهش می یابد که عدد اتمی گسیلینده زیاد شود . او بویژه رابطه ای خطی ( قانون موزلی ) میان ریشه ی دوم بسامد خط V و عدد اتمی Z به دست آورد.

خطوط دوتایی تفکیک شده Ka در سمت راست بر روی مقیاس بزرگ شده طول موج تمایش داده شده است.

( 7 1 )‌                                              

که در آن C و  ثابت است . دومین خط ، قویترین خط در سری L است . این منحنی ها به طور ضمنی نشان می دهند که خطوط L همواره دارای طول موجهای بلند نیستند : برای مثال ، خط  فلزی سنگین مانند تنگستن ، نزدیک به طول موج خط  مس ،‌ یعنی  5/1 است.

طول موج خطوط ویژه ی پرتو X تقریباً برای تمام عناصر شناخته شده ،‌ عمدتاً از سوی ام . سیگبان و دستیاران او اندازه گیری شده ، و جدولی از این طول موجها باری قویترین خطوط سری K و L در پیوست 7 یافت می شود . داده های مربوط به خطوط ضعیف تر را می توان در جلد چهارم جدولهای بین المللی بلورشناسی پرتو  به دست آورد.

در حالی که طیف پیوسته در اثر کاهش سریع شناب الکترونها ،‌ از فلز هدف ناشی می شود، منشأ طیف ویژه در اتمهای سازنده ی ماده ی هدف نهفته است . برای درک این پدیده ، کافی است اتمی را با هسته ای مرکزی در نظر بگیرید که پیرامون آن را الکترونها در پوسته های گوناگون فرا گرفته اند و نشانه های M,L,K در رابطه با عدد کوانتومی  …….، 3 ، 2 ، 1 = n هستند . اگر یکی از الکترونهایی که هدف را بمباران می کنند ، از انرژی جنبشی کافی برخوردار باشد، می تواند الکترونی را از پوسته K خارج کرده و اتم را در یک حالت برانگیخته با انرژی بالاتر قرار دهد.

بی درنگ یکی از الکترونهای بیرونی تر در مکان خالی پوسته K قرار می گیرد، و در آن فرآیند با گسیل انرژی ، اتم را دوباره به حالت عادی انرژی خود بر می گرداند . انرژی سیل شده ،‌ به صورت تابشی با طول موج معین است که در واقع تابش ویژه K خواهد بود