Различные виды анализа, связанные с использованием рентгеновского излучения, основаны на его взаимодействии с анализируемым веществом. Рентгеновским излучением называют открытое в 1895 г. Вильгельмом Рентгеном электромагнитное излучение с длиной волны 0,01 – 100 нм (между ультрафиолетовым и гамма-излучением) с энергией 0,01 – 150 кэВ. Электронвольт (эВ) – внесистемная единица энергии. 1эВ = 1,602•10^-19 Дж).

Рентгеновский спектр – это распределение интенсивности рентгеновского излучения, испущенного образцом (РФлА) или прошедшего через образец (рентгеноспектральный анализ), по энергиям или длинам волн.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Для анализа с использованием рентгеновской спектроскопии представляют интерес четыре типа процессов взаимодействия электромагнитного излучения (рентгеновского и γ-излучения) с атомом, а именно фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), эмиссия характеристического рентгеновского излучения (рентгеновская флуоресценция), упругое рассеяние (когерентное или рэлеевское рассеяние) и неупругое рассеяние (некогерентное, или комптоновское рассеяние).

Фотоэффект

Для возбуждения характеристического рентгеновского излучения атома фотоэлектрическое поглощение является начальным актом. При фотоэффекте налетающий фотон полностью поглощается атомом. Энергия, получаемая от фотона, тратится на вырывание электрона из атома и на сообщение уже свободному электрону соответствующей кинетической энергии. Величина кинетической энергии электрона зависит от энергии налетающего фотона и атомного номера элемента. На измерении энергии фотоэлектрона основан метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Данный процесс требует минимальной (или критической) энергии, равной энергии связи электрона. Вероятность данного вида взаимодействия фотона с веществом определяется сечением взаимодействия. Можно считать, что сечение взаимодействия представляет собой эффективную площадь (в статистическом смысле), или «размер мишени» для изучаемого процесса взаимодействия, и измеряется в квадратных сантиметрах. Единицей измерения сечения взаимодействия является барн (1 барн=10^-24 см²). Оно зависит от энергии фотона и от атомного номера элемента, с которым происходит взаимодействие. Зависимость вероятности фотоэффекта от энергии излучения имеет характерные точки разрыва, которые называются краями поглощения и определяются значением критической энергии соответствующей оболочки. Вероятность фотоэффекта максимальна, когда энергия фотона незначительно превышает критическую энергию. Свойства фотоэффекта можно кратко сформулировать следующим образом.

1. Зависимость сечения фотоэффекта от энергии примерно соответствует Е^-3, где показатель степени изменяется с изменением Z; при малых Z показатель степени возрастает до 3,5.

2. Для заданной энергии вероятность фотоэффекта зависит от Z, (электронное сечение фотоэффекта изменяется примерно как Z³, а атомное сечение пропорционально Z⁴).

Отсюда следует, что вероятность фотоэффекта резко повышается с уменьшением энергии возбуждающего излучения и увеличением атомного номера.