Razele X și Folosirea Lor pentru Determinarea Constantelor Atomice

1. Introducere

Razele X (Roentgen) joacă un rol important în studiul atomului, de exemplu, spectrele de raze X permit determi¬narea precisă a numerelor atomice ale tuturor elementelor, adică determi¬narea sarcinilor nucleare ale acestor elemente. în afară de aceasta, în ultimii ani, metodele spectroscopiei de raze X au fost folosite cu succes pentru determinarea exactă a numărului lui Avogadro, a sarcinii e a elec¬tronului, precum şi a sarcinii specifice e/m. în capitolele următoare, vom recurge deseori la diferitele fenomene în legătură cu razele X. În acest scop, ste necesar să facem întâi cunoştinţă cu natura şi proprietăţile lor.

2. Razele X

Razele X iau naştere sub acţiunea electronilor rapizi. În aşa numitele tuburi Roentgen, în faţa catodului se aşază o placă metalică (în tuburile medicale şi tehnice, această placă este de wolfram). Prin bombardarea acestei plăci cu electroni, iau naştere razele X. În instalaţiile tehnice obiş¬nuite, energia electronilor de excitare este de ordinul a 100 000 eV. Există instalaţii pentru producerea de raze X în care energia electronilor de ex¬citare este de un milion de electron-volţi. În ultima vreme, s-au construit, pentru scopurile fizicii nucleare, acceleratori speciali pentru electroni (betatroane şi sincrotroane), care permit obţinerea razelor X prin frânarea unor electroni de energii până la 100 milioane de electron-volţi.

Razele X, invizibile pentru ochiul liber, au proprietatea de a produce o fluorescenţă vizibilă foarte intensă în unele substanţe cristaline naturale (platinocianură de bariu, sulfură de zinc etc.) şi în unele pulberi preparate în mod artificial (luminofori). Razele X acţionează asupra plăcii fotografice şi produc ionizarea gazelor. Toate aceste fenomene au fost folosite pentru observarea şi studiul razelor X.

Natura razelor X este identică cu aceea a luminii; deosebirea constă numai în faptul că ele au o lungime de undă mult mai mică. Razele X posedă, ca şi radiaţiile luminoase, proprietăţi ondulatorii care se pun în evidenţă prin experienţele de interferenţă şi difracţie. Prima experienţă de interferenţă, analogă experienţei cu oglinzile lui Fresnel, a fost efectuată pentru razele X de fizicianul sovietic Y. P. Linnik. Fig. 1 reproduce o figură de difracţie, obţinută la trecerea razelor X printr-o fantă îngustă.

Fig. 1. Difracţia razelor X trecute printr-o fantă îngustă (lărgimea fantei 0,006 mm; mărit de 26 ori)

Aceste experienţe sânt foarte dificile, căci, din cauza lungimii de undă mici, fanta trebuie să fie foarte îngustă. Afară de aceasta, clişeul obţinut trebuie mărit pentru a se putea distinge franjele luminoase şi întunecate. Clişeul reprodus în fig. 1 a fost obţinut cu o fantă de 6µ lărgime şi mărit de 26 ori. Cunoscând condiţiile geometrice ale experienţei (distanţa de la fantă la placa fotografică) şi măsurând distanţa dintre două franje lumi¬noase consecutive, se poate calcula lungimea de undă a razelor X, aşa cum se face în optică). După clişeul reprodus în fig. 1, s-a obţinut pentru lungimea de undă valoarea 8,33 cu o precizie de 0,5% (amintim că lun¬gimea de undă a razelor vio¬lete, în limita vizibilă pentru ochiul liber, este de 4 000 ). Acesta este un exemplu de raze X a căror lungime de undă este mare. Lungimile de undă ale razelor X folosite în medicină pentru radioscopie sânt de ordi¬nul unui angstrom.

Se disting două tipuri de raze X. Dacă energia electro¬nilor care suferă o frânare pe anticatod nu întrece o anumită valoare, caracteristică pentru substanţa anticatodului, radiaţia care apare se numeşte radiaţie de frânare. Ea se descompune într-un spectru continuu, ca şi lumina albă şi, de aceea, uneori aceste radiaţii de frânare se numesc raze X ,,albe". Spectrul continuu al radiaţiei de frânare are următoarele caracteristici. Distribuţia intensităţii în funcţie de lungimea de undă se prezintă, în cazul acestui spectru, sub forma unei curbe care are un maxim pentru o anumită lungime de undă. Scăderea intensităţii de la acest maxim spre undele mai lungi şi spre cele mai scurte se face în moduri diferite: înspre undele lungi, curba scade lent, apropiindu-se asimptotic de zero, pe măsură ce lungimea de undă creşte; dimpotrivă, înspre undele scurte, scăderea inten¬sităţii se face brusc şi spectrul se întrerupe pentru o anumită lungime de undă. Această lungime de undă critică, care este cea mai mică lungime de undă din spectrul continuu, depinde de potenţialul accelerator al elec¬tronilor. Dacă acest potenţial este egal cu V kilovolţi, atunci lungimea de undă limită exprimată în angstromi, este