Interacción y absorción de rayos X y materia.
(1) Interacción entre los rayos X y la materia
Características Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética de baja energía. La energía es menor, por lo que es ligeramente diferente de la gamma. rayos. Sus funciones principales son el efecto fotoeléctrico, la dispersión coherente y la dispersión incoherente, y no se producirá ningún efecto de par de electrones.
1. Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico de los rayos X consiste en que los rayos X transfieren toda su energía a los átomos de una vez, y los propios rayos X desaparecen. Con la participación de los núcleos atómicos se distribuye la energía, parte de la cual se utiliza para superar la energía de enlace de los electrones orbitales y el resto se utiliza como energía cinética de los electrones para la emisión de fotoelectrones. Este fenómeno juega un papel importante en la interacción entre ellos. Radiación electromagnética de baja energía y materia.
2. Efecto de dispersión
El efecto de dispersión de los rayos X es la interacción entre los rayos X y los electrones en órbitas eléctricas fuera del núcleo. Durante la interacción no se transfiere toda la energía. a los electrones. Se pueden presentar dos tipos de situaciones.
(a) La dispersión incoherente, también conocida como dispersión de Compton, es la dispersión inelástica de los rayos X y los electrones en órbita en el núcleo transfieren parte de su energía a los electrones, permitiendo que los electrones en órbita. para obtener suficiente La energía supera su energía de enlace y sale corriendo del átomo, formando un electrón en retroceso, mientras que los rayos X pierden parte de su energía y cambian su dirección de movimiento.
(b) La dispersión coherente, incluida la dispersión de Thomson y la dispersión de Rayleigh, es la dispersión elástica de rayos X y electrones cuando la energía del fotón es baja y el número atómico del material objetivo es grande, en relación con. Dispersión coherente. En términos de dispersión de Puton, este tipo de dispersión tiene una ventaja relativamente grande. Este fenómeno puede explicarse por el hecho de que los rayos X, como un tipo de radiación electromagnética, interactúan con los electrones fuera del núcleo, forzando a los electrones en órbita. vibran según su frecuencia y luego emiten la misma radiación que la radiación incidente original Radiación electromagnética Radiación electromagnética con la misma frecuencia. Desde una perspectiva macroscópica, los rayos X incidentes cambian su dirección de propagación mientras que su longitud de onda o energía permanece sin cambios.
(2) Absorción y transición de los rayos X
La interacción entre los rayos X y la materia produce efectos fotoeléctricos y efectos de dispersión, haciendo que la intensidad de los rayos X se debilite gradualmente a medida que avanza. el espesor de la capa media aumenta. Para los rayos X de energía única, al pasar a través de una capa uniforme, la intensidad de los rayos X se atenuará exponencialmente a medida que aumenta el espesor del material absorbente:
Método de exploración radiactiva
Dónde : d es el espesor de la capa de material absorbente, cm; μ es el coeficiente de absorción, que indica la probabilidad de que los rayos X sean absorbidos por un material con un espesor de 1 cm, cm-1 es la intensidad de rayos X restante después; los rayos X atraviesan la capa de material con un espesor de d I0 es la intensidad inicial de los rayos X.
El espesor de una sustancia cuando la intensidad de los rayos X se atenúa a la mitad de la intensidad de los rayos X incidentes se denomina espesor de media absorción. Es decir = , d1/2 es la mitad del espesor de absorción.
Según la definición, podemos calcular la expresión del espesor de media absorción: . La Tabla 4-4 enumera el espesor de media absorción de rayos X de varias energías en varios materiales.
La Tabla 4-4 enumera el espesor de media absorción de rayos X de varias energías en varios materiales.
Se define como el coeficiente de absorción de masa, cm2/g, y ρ es la densidad del material absorbente, g/cm3; la fórmula anterior se puede escribir como
Método de exploración radiactiva
donde dm es la densidad de la superficie, g/cm2;
Los rayos X interactúan con la materia, lo que debilitará la energía de los rayos X. La probabilidad de este efecto también se puede expresar mediante la sección transversal atómica, con el símbolo μa, que representa la probabilidad de absorción de fotones por cada átomo. por unidad de área, es decir,
Método de exploración radiactiva
En la fórmula: A es la masa atómica relativa; L es la constante de Avogadro (6,023×1023); átomos en el material absorbente por unidad de volumen.
El coeficiente de absorción total es igual a la suma del coeficiente de absorción fotoeléctrica, los coeficientes de dispersión coherente y los coeficientes de dispersión incoherente:
μ=τ (σin σcoh)
μm=μ/ ρ=τ/ρ (σin/ρ σcoh/ρ)
El coeficiente de absorción de masa efectiva total de mezclas de elementos múltiples, compuestos y soluciones mixtas se puede obtener mediante el siguiente método:
Método de exploración radiactiva
En la fórmula: CA, CB, CC... son las concentraciones másicas de los elementos A, B, C... en la mezcla respectivamente (μ/ρ; )A, (μ/ρ) B, (μ/ρ)C... el coeficiente de absorción de masa de cada elemento Ci y (μ/ρ)i son la concentración de masa y el coeficiente de absorción de masa del i-ésimo elemento respectivamente; .
Si se trata de un mineral de un solo componente y solo hay un elemento A para analizar con una concentración másica CA, entonces existe una forma especial de la siguiente fórmula y el coeficiente de absorción de masa total es
Método de exploración radiactiva
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La discusión anterior sólo es correcta para rayos X monoenergéticos. Si sobre la mezcla inciden rayos X multienergía, los experimentos han demostrado que se puede obtener una energía efectiva para los rayos X multienergía. Por lo tanto, al calcular el coeficiente de absorción de masa, se puede tratar como una energía única.
Experimentos han demostrado que el coeficiente de absorción de masa de cada elemento es función de la energía (o longitud de onda) de los fotones de rayos X, y su patrón se denomina espectro de absorción de rayos X, como el plomo (Z=82 ), los espectros de absorción de estaño (Z= 50), cobre (Z=29) y silicio (Z=14) se muestran en la Figura 4-4. La sección transversal de absorción fotoeléctrica (τPH) también se muestra en la figura. Curvas de sección transversal de dispersión coherente (σcoh) y sección transversal de dispersión incoherente (σin). La suma de los tres es el espectro de absorción de los rayos X. En la figura se muestra claramente que la curva de absorción general y la curva de absorción fotoeléctrica son casi idénticas y sólo divergen significativamente a energías más altas.
Otra característica de la curva de absorción (Figura 4-4) es que hay un salto en la sección transversal de absorción en K, LⅠ, LⅡ, LⅢ y MⅠ, MⅡ, MⅢ, MⅣ, MⅤ, lo que Se llama límite de absorción o energía crítica (longitud de onda crítica). Representa la energía mínima necesaria para expulsar electrones de una determinada capa de un átomo, que es igual a la energía de unión de electrones que se muestra en la fórmula (4-3). Por lo tanto, cada capa atómica tiene un límite de absorción de la capa K (Kab); tres límites de absorción de la capa L (LⅠab, LⅡab, LⅢab), cinco límites de absorción de la capa M (MⅠab, MⅡab, MⅢab, MⅣab, MⅤab), etc. Entre estas transiciones de límite de absorción, la más destacada con la mayor diferencia de transición es Kab, es decir, la energía de absorción crítica de la capa K cerca del núcleo es la mayor, seguida en orden hacia afuera por ELabgt;... Ver Apéndice 4.