Рентгеновские лучи, рентгеновское излучение, электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10-4 до 103 Å (от 10-12 до 10-5 см). Рентгеновские лучи с длиной волны λ < 2 Å условно называются жёсткими, с λ > 2 Å — мягкими. Рентгеновские лучи открыты в 1895 году В. К. Рентгеном и названы им Х-лучами (этот термин применяется во многих странах). В течение 1895—97 годов Рентген исследовал свойства рентгеновских лучей и создал первые рентгеновские трубки. Он обнаружил, что жёсткие рентгеновские лучи проникают через различные материалы и мягкие ткани человеческого тела (это свойство рентгеновских лучей быстро нашло применение в медицине). Открытие рентгеновских лучей привлекло внимание учёных всего мира, и уже в 1896 году было опубликовано свыше 1000 работ по исследованиям и применениям рентгеновских лучей. Электромагнитная природа рентгеновских лучей была предсказана Дж. Стоксом и экспериментально подтверждена Ч. Баркла, открывшим их поляризацию. В 1912 году немецкий физики М. Лауэ, В. Фридрих и П. Книппинг обнаружили дифракцию рентгеновских лучей на атомной решётке кристаллов (см. Дифракция рентгеновских лучей). В 1913 году Г. В. Вульф и независимо от него У. Л. Брэгг нашли простую зависимость между углом дифракции, длиной волны рентгеновских лучей и расстоянием между соседними параллельными атомными плоскостями кристалла (см. Брэгга — Вульфа условие). Эти работы послужили основой для рентгеновского структурного анализа. В 20-х годах началось применение рентгеновских спектров для элементного анализа материалов, а в 30-х годах — к исследованию электронной энергетической структуры вещества. В СССР в развитии исследований и применении рентгеновских лучей большую роль сыграл Физико-технический институт, основанный А. Ф. Иоффе.

Источники рентгеновских лучей.

Наиболее распространённый источник рентгеновских лучей — рентгеновская трубка. В качестве источников рентгеновских лучей могут служить также некоторые радиоактивные изотопы: одни из них непосредственно испускают рентгеновские лучи, ядерные излучения других (электроны или α-частицы) бомбардируют металлическую мишень, которая испускает рентгеновские лучи. Интенсивность рентгеновского излучения изотопных источников на несколько порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки, но габариты, вес и стоимость изотопных источников несравненно меньше, чем установки с рентгеновской трубкой.

Источниками мягких рентгеновских лучей с λ порядка десятков и сотен Å могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв. По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2—3 порядка.

Естественные источники рентгеновских лучей — Солнце и другие космические объекты.

Свойства рентгеновских лучей.

В зависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени (см. Тормозное излучение); этот спектр достигает значительной интенсивности лишь при бомбардировке мишени электронами. Интенсивность тормозных рентгеновских лучей распределена по всем частотам до высокочастотной границы ν0, на которой энергия фотонов hν0 (h — Планка постоянная) равна энергии eV бомбардирующих электронов (е — заряд электрона, V — разность потенциалов ускоряющего поля, пройденная ими). Этой частоте соответствует коротковолновая граница спектра λ0 = hc/eV (с — скорость света).

Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном (первичные рентгеновские лучи), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные рентгеновские лучи). Ионизованный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10-16—10-15 сек переходит в конечное состояние с меньшей энергией. При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты ν линий этого спектра от атомного номера Z определяется Мозли законом: — величины, постоянные для каждой линии спектра.

Тормозное рентгеновское излучение, испускаемое очень тонкими мишенями, полностью поляризовано вблизи ν0; с уменьшением ν степень поляризации падает. Характеристическое излучение, как правило, не поляризовано.

При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом может происходить фотоэффект, сопровождающее его поглощение рентгеновских лучей и их рассеяние, фотоэффект наблюдается в том случае, когда атом, поглощая рентгеновский фотон, выбрасывает один из своих внутренних электронов, после чего может совершить либо излучательный переход, испустив фотон характеристического излучения, либо выбросить второй электрон при безызлучательном переходе (оже-электрон). Под действием рентгеновских лучей на неметаллические кристаллы (например, на каменную соль) в некоторых узлах атомной решётки появляются ионы с дополнительным положительным зарядом, а вблизи них оказываются избыточные электроны. Такие нарушения структуры кристаллов, называемые рентгеновскими экситонами, являются центрами окраски и исчезают лишь при значительном повышении температуры.

При прохождении рентгеновских лучей через слой вещества толщиной х их начальная интенсивность I0 уменьшается до величины I = I0e-µx где µ — коэффициент ослабления. Ослабление I происходит за счёт двух процессов: поглощения рентгеновских фотонов веществом и изменения их направления при рассеянии. В длинноволновой области спектра преобладает поглощение рентгеновских лучей, в коротковолновой — их рассеяние. Степень поглощения быстро растет с увеличением Z и λ. Например, жёсткие рентгеновские лучи свободно проникают через слой воздуха ~ 10 см; алюминиевая пластинка в 3 см толщиной ослабляет рентгеновские лучи с λ = 0,027 Å вдвое; мягкие рентгеновские лучи значительно поглощаются в воздухе и их использование и исследование возможно лишь в вакууме или в слабо поглощающем газе (например, Не). При поглощении рентгеновских лучей атомы вещества ионизуются.

Влияние рентгеновских лучей на живые организмы может быть полезным и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях. Поскольку поглощение рентгеновских лучей зависит от λ, интенсивность их не может служить мерой биологического действия рентгеновских лучей. Количественным учётом действия рентгеновских лучей на вещество занимается рентгенометрия, единицей его измерения служит рентген.

Рассеяние рентгеновских лучей в области больших Z и λ происходит в основном без изменения λ и носит название когерентного рассеяния, а в области малых Z и λ, как правило, возрастает (некогерентное рассеяние). Известно 2 вида некогерентного рассеяния рентгеновских лучей — комптоновское и комбинационное. При комптоновском рассеянии, носящем характер неупругого корпускулярного рассеяния, за счёт частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки атома вылетает электрон отдачи (см. Комптона эффект). При этом уменьшается энергия фотона и изменяется его направление; изменение λ зависит от угла рассеяния. При комбинационном рассеянии рентгеновского фотона высокой энергии на лёгком атоме небольшая часть его энергии тратится на ионизацию атома и меняется направление движения фотона. Изменение таких фотонов не зависит от угла рассеяния.

Показатель преломления n для рентгеновских лучей отличается от 1 на очень малую величину δ = 1—n ≈ 10-6—10-5. Фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света в вакууме. Отклонение рентгеновских лучей при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут). При падении рентгеновских лучей из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.

Регистрация рентгеновских лучей.

Глаз человека к рентгеновским лучам не чувствителен. Рентгеновские лучи регистрируют с помощью специальной рентгеновской фотоплёнки, содержащей повышенное количество AgBr. В области λ < 0,5 Å чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ > 5 Å чувствительность обычной позитивной фотоплёнки достаточно велика, а её зёрна значительно меньше зёрен рентгеновской плёнки, что повышает разрешение. При λ порядка десятков и сотен Å рентгеновские лучи действуют только на тончайший поверхностный слой фотоэмульсии; для повышения чувствительности плёнки её сенсибилизируют люминесцирующими маслами (см. Сенсибилизация). В рентгенодиагностике и дефектоскопии для регистрации рентгеновских лучей иногда применяют электрофотографию (электрорентгенографию).

Рентгеновские лучи больших интенсивностей можно регистрировать с помощью ионизационной камеры, рентгеновские лучи средних и малых интенсивностей при λ < 3 Å — сцинтилляционным счётчиком с кристаллом NaI (Tl), при 0,5 < λ < 5 Å — Гейгера — Мюллера счётчиком и отпаянным пропорциональным счётчиком, при 1 < λ < 100 Å — проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 Å — полупроводниковым детектором. В области очень больших λ (от десятков до 1000 Å) для регистрации рентгеновских лучей могут быть использованы вторично-электронные умножители открытого типа с различными фотокатодами на входе.

Применение рентгеновских лучей.

Наиболее широкое применение рентгеновские лучи нашли в медицине для рентгенодиагностики и рентгенотерапии. Важное значение для многих отраслей техники имеет рентгеновская дефектоскопия, например для обнаружения внутренних пороков отливок (раковин, включений шлака), трещин в рельсах, дефектов сварных швов.

Рентгеновский структурный анализ позволяет установить пространственное расположение атомов в кристаллической решётке минералов и соединений, в неорганических и органических молекулах. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ (см. Дебая — Шеррера метод). Многочисленными применениями рентгеновских лучей для изучения свойств твёрдых тел занимается рентгенография материалов.

Рентгеновская микроскопия позволяет, например, получить изображение клетки, микроорганизма, увидеть их внутреннее строение. Рентгеновская спектроскопия по рентгеновским спектрам изучает распределение плотности электронных состояний по энергиям в различных веществах, исследует природу химической связи, находит эффективный заряд ионов в твёрдых телах и молекулах. Спектральный анализ рентгеновский по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургических и цементных заводах, обогатительных фабриках. При автоматизации этих предприятий применяются в качестве датчиков состава вещества рентгеновские спектрометры и квантометры (см. Спектральная аппаратура рентгеновская).

Рентгеновские лучи, приходящие из космоса, несут информацию о химическом составе космических тел и о физических процессах, происходящих в космосе. Исследованием космических рентгеновских лучей занимается рентгеновская астрономия. Мощные рентгеновские лучи используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации материалов, крекинга органических веществ. Рентгеновские лучи применяют также для обнаружения старинной живописи, скрытой под слоем поздней росписи, в пищевой промышленности для выявления инородных предметов, случайно попавших в пищевые продукты, в криминалистике, археологии и др.

Дополнительная литература: Блохин М. А., Физика рентгеновских лучей, 2 изд., М., 1957; его же, Методы рентгено-спектральных исследований, М., 1959; Рентгеновские лучи. Сб. под ред. М. А. Блохина, пер. с нем. и англ., М., 1960; Хараджа Ф., Общий курс рентгенотехники, 3 изд., М. — Л., 1966; Миркин Л. И., Справочник по рентгено-структурному анализу поликристаллов, М., 1961; Вайнштейн Э. Е., Кахана М. М., Справочные таблицы по рентгеновской спектроскопии, М., 1953.