عندما تمر الجسيمات المشحونة عبر المادة، فإنها تتفاعل مع الإلكترونات الذرية وتفقد الطاقة من خلال عمليات الإثارة والتأين، كما يمكن أيضًا إنتاج التأين عندما تمر الفوتونات عبر المادة من خلال تفاعلات مثل التأثير الكهروضوئي والتشتت غير المتماسك.
ما هي فيزياء الأشعة التشخيصية
تحدث الإثارة عندما يكون هناك نقل لبعض طاقة الجسيم الساقط إلى الإلكترونات في المادة الماصة، مما يؤدي إلى إزاحتها إلى قذائف أبعد من النواة (أي إلى مستويات طاقة أعلى) وترك شاغر في الغلاف الأصلي، إذا تجاوزت الطاقة المنقولة طاقة الارتباط للإلكترون يحدث التأين، مما يؤدي إلى طرد الإلكترون من الذرة.
ثم يتم تشكيل زوج أيوني يتكون من الإلكترون المقذوف والذرة المؤينة الموجبة الشحنة. في حين أن أصغر طاقات الربط للإلكترونات في الكربون والنيتروجين والأكسجين هي 11.3 و 14.5 و 13.6 فولت، على التوالي، متوسط الطاقة المطلوبة لإنتاج زوج أيون في الهواء الجاف (معظمها من النيتروجين و الأكسجين) 33.97 فولت.
فرق الطاقة (حوالي 24 فولت) هو نتيجة لعملية الإثارة، عندما يتم إنشاء شاغر في غلاف إلكتروني داخلي سواء عن طريق الإثارة أو التأين، يتم ملؤه بواسطة إلكترون من مسافة أبعد (خارجية)، كما ينتج عن هذا فراغ في الغلاف الخارجي الثاني، والذي يتم ملؤه بعد ذلك بواسطة إلكترون (إذا كان متاحًا) من غلاف خارجي أبعد وتتكرر العملية بأكملها، مما ينتج سلسلة من التحولات.
إنتاج الأشعة السينية المميزة وإلكترونات أوجيه
- يتم نقل الطاقة المنبعثة في كل انتقال بعيدًا عن طريق انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي أو عن طريق إلكترون مقذوف من غلاف خارجي آخر، يُعرف باسم إلكترون أوجيه.
- اعتمادًا على العدد الذري للمادة والأغلفة الإلكترونية المعنية، قد يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي في الأجزاء المرئية أو فوق البنفسجية أو الأشعة السينية من الطيف، كما تعتبر طاقة هذا الإشعاع من سمات الذرة المعينة، لأنها تساوي الفرق في طاقات ربط الإلكترون للحالتين الأولية والنهائية للانتقال المعين، والذي يعتمد على العدد الذري، كما تُعرف الأشعة السينية المنبعثة بهذه الطريقة بالأشعة السينية المميزة أو الفلورية.
- يتم استخدام اصطلاح التسمية بالتوافق مع الغلاف الذي حدثت فيه الوظيفة الشاغرة، تُعرف الأشعة السينية المنبعثة بالاقتران مع انتقال الإلكترون إلى الغلاف K باسم الأشعة السينية المميزة K وتُعرف الأشعة السينية الناتجة عن انتقال الإلكترون باسم الأشعة السينية المميزة L وما إلى ذلك.
- يتم استخدام الرموز المنخفضة للإشارة إلى الغلاف الذي تم ملء الوظيفة الشاغرة منه، كما يستخدم الرمز المنخفض a للإشارة إلى الإشعاع المنبعث للانتقال بين الأصداف المجاورة والرمز b للإشارة إلى الإشعاع المنبعث من أجل الانتقال بين الأصداف غير المجاورة، يتم استخدام المزيد من الرموز الفرعية حسب الضرورة للإشارة إلى المجموعات الفرعية التي تشارك في عملية الانتقال.
- عندما يحمل إلكترون أوجيه فرق الطاقة بين الحالتين الأولية والنهائية، يتم إنشاء شاغر إضافي في الغلاف الخارجي. على سبيل المثال، إذا كان الانتقال الأولي من قذيفة M إلى قذيفة K وانبعث إلكترون أوجيه أيضًا من قذيفة M فسيكون هناك شاغران ناتجان في قذيفة M.
وبالتالي يتم تحديد الطاقة الحركية لإلكترون أوجيه بالاختلاف بين طاقة الربط للقذيفة مع الشغور الأولي ومجموع طاقات الربط المرتبطة بالفرغين الشاغرين اللذين تم إنشاؤهما. على سبيل المثال، بالنسبة للانتقال الذي تم وصفه للتو لهدف التنجستن، يتم إعطاء طاقة إلكترون أوجيه بواسطة عند النظر في ترسب الطاقة في المادة بعد الإنشاء والملء اللاحق للوظيفة الشاغرة، من المهم معرفة ما إذا كانت الأشعة السينية الفلورية أم ينبعث إلكترون اوجير.
- يُعرف احتمال انبعاث الأشعة السينية الفلورية باسم العائد الفلوري ( ω) نظرًا لأنه يجب انبعاث أي من الأشعة السينية الفلورية أو إلكترون أوجيه، فإن احتمال انبعاث إلكترون أوجيه هو (1 – ω)، كما يعتبر انبعاث الإلكترون من أوجيه أكثر أهمية للمواد ذات العدد الذري المنخفض وللتحولات بين الأصداف الخارجية.
اشعة الالكترونات السريعة
معظم التفاعلات التي تحدثها الإلكترونات السريعة أثناء مرورها عبر المادة تكون مع الإلكترونات الذرية. ومع ذلك، يمكن أن يكون لها أيضًا تفاعلات غير مرنة مع النوى الذرية. في مثل هذه التفاعلات، سينحرف مسار الإلكترون وتنقل الطاقة إلى الفوتون الذي ينبعث.
نظرًا لأن الفوتون ينبعث جنبًا إلى جنب مع تباطؤ الإلكترون، فإنه يُعرف باسم (bremsstrahlung) وهو ما يعني “إشعاع الفرامل” باللغة الألمانية، كما يمكن أن تأخذ طاقة الفوتون المنبعث أي قيمة من الصفر إلى طاقة الإلكترون الأولي، بحيث يكون مرور حزمة من الإلكترونات على الرغم من المادة مصحوبًا بانبعاث طيف من الفوتونات يغطي نطاق الطاقة هذا.
تعد فوتونات (Bremsstrahlung) المكون الرئيسي لطيف الأشعة السينية المنبعثة من أنابيب الأشعة السينية، كما يتناسب احتمال انبعاث (bremsstrahlung) مع قيمة العدد الذري، وبالتالي يكون أعلى بالنسبة للمواد ذات العدد الذري الأعلى مثل التنجستن.
ومع ذلك، حتى بالنسبة لهذه المادة فإن كفاءة إنتاج أشعة الشمس الساطعة تكون أقل من 1٪ لإلكترونات 100 كيلو فولت، كما تعتمد زاوية انبعاث فوتونات أشعة الشمس على طاقة الإلكترون. بالنسبة لطاقات الإلكترون الأكبر بكثير من الكتلة الباقية للإلكترون، يكون التوزيع الزاوي ذروته في الاتجاه الأمامي ولكن مع انخفاض طاقة الإلكترون، يتحرك موضع الذروة بحيث يكون بزاوية مع الاتجاه الأمامي. عندما تكون طاقة الإلكترون منخفضة، ينبعث الإشعاع بشكل أساسي بين 60 درجة و 90 درجة في الاتجاه الأمامي.
