РЕНТГЕНОВСКАЯ АСТРОНОМИЯ, раздел наблюдательной и теоретич. астрофизики, исследующий источники космич. рентгеновского излучения в области длин волн А от 100 А до 0,3 А. В шкале энергий фотонов этот диапазон соответствует 0,1-30 кэв, однако обе границы определены довольно условно. Для проведения астрономич. наблюдений в этой области длин волн аппаратура поднимается за пределы земной атмосферы с помощью ракет или искусств, спутников Земли, т. к. рентгеновские лучи сильно поглощаются в атмосфере. Жёсткое рентгеновское излучение можно наблюдать с высот ок. 40 км с высотных аэростатов.

В космич. условиях рентгеновское излучение может генерироваться горячей плазмой с темп-рой, превышающей 10⁶ К в оптически тонкой или толстой среде, релятивистскими электронами в магнитных полях (синхротронное излучение), а также электронами космич. лучей при их взаимодействии с фотонами низкой энергии (напр., оптическими). Последний механизм носит название обратного Комптона эффекта.

Рентгеновское излучение Солнца впервые было обнаружено 5 авг. 1948 в США с ракеты, хотя существование такого излучения предсказывалось и ранее на основании геофизич. данных об ионосфере Земли. К сер. 70-х гг. 20 в. солнечное рентгеновское излучение детально исследовано во всей области спектра. При отсутствии хромосферных вспышек оно простирается вплоть до 10-20 А. Наличие на диске Солнца активных областей приводит к появлению жёсткого рентгеновского и даже гамма-излучения (рис. 1). В основном непрерывный спектр имеет тепловой характер с темп-рой от 10⁶ и до 2*10⁷ К, однако в начале развития вспышки наблюдается и нетепловая компонента. Рентгеновское излучение генерируется в пределах солнечной короны, а также в хромосфере и в переходной, чрезвычайно узкой по высоте области солнечной атмосферы. Обнаружено также и гамма-излучение вспышек, включая линейчатое. В рентгеновском спектре присутствуют линии многократно ионизованных элементов: Fe, Ni, Mn, Ar, Co и др. В основном наблюдаются спектры водо-родоподобных атомов, имеющих только один оставшийся электрон. С помощью оптики косого падения получены и фотографии солнечного диска в мягкой рентгеновской области спектра (рис. 2). Обнаружена поляризация рентгеновского излучения при вспышках.
 

Рис. 1. Спектр Солнца в области 1 - 8 А.

Рис. 2. Изображение диска Солнца в рентгеновском диапазоне, полученное при помощи телескопа косого падения 8 июня 1968.

Дискретные источники рентгеновского космич. излучения были случайно открыты в 1962 при поиске рентгеновского флуоресцентного излучения Луны под действием космич. лучей. К 1975 зарегистрировано более 150 источников. Большая их часть концентрируется к плоскости Галактики, что свидетельствует об их немногочисленности (по различным оценкам, в Галактике всего 10³-10⁴ таких источников) и преимущественном расположении в галактич. диске (рис. 3).

Рис. 3. Распределение известных рентгеновских источников на небе. Использована галактическая система координат, центр Галактики в середине рисунка.

Поток от наиболее яркого источника в созвездии Скорпиона (Sco X-1) равен 20 квантам/(см²*сек) в области спектра 2-8 А. Наиболее слабые из зарегистрированных к 1975 источников имеют поток 10^-3 кванта/(см²*сек) в той же области спектра. Лишь небольшая часть (ок. 10) из галактич. источников отождествлена с оптически исследованными объектами. К ним относятся остатки сверхновых звёзд, причём в этом случае наблюдается как синхротронное излучение от протяжённой туманности, так и тепловое излучение от расширяющейся газовой оболочки и нагретого до темп-ры 10⁶ К межзвёздного газа. Иногда наблюдается излучение остатка сверхновой звезды, вероятнее всего, являющегося нейтронной звездой. Рентгеновское излучение Крабовидной туманности (Таи Х-1) (второго по яркости источника) с потоком 2 кванта/(см²•сек) имеет пульсирующую компоненту с периодом 0,033 сек, совпадающим с периодом оптического и радиоизлучения пульсара. Обнаружены рентгеновские источники, входящие в двойные звёздные системы (Her X-1, Cyg X-1, Cyg X-3, Cir X-1, Cen X-3 и др.), что позволило детально исследовать их физич. параметры. Один из таких источников (Cyg X-1), вероятно, является объектом, возникшим в результате гравитац. коллапса ("чёрной дырой"). Механизм рентгеновского свечения таких источников - истечение газа с поверхности нормального гиганта на нейтронную звезду или чёрную дыру - т. н. дисковая аккреция. Осн. масса рентгеновских источников пока не отождествлена с наблюдаемыми в оптич. диапазоне объектами. Около 30 источников отождествлены с внегалактич. объектами. Это, в частности, - ближайшие галактики (Магеллановы Облака и Большая туманность Андромеды), скопления галактик, радиогалактики Дева-А (М87) к Центавр-А (NGC 5128), квазар ЗС 273, а также сейфертовские галактики.

Помимо дискретных источников рентгеновского излучения, наблюдается изотропный рентгеновский фон, спектр которого в области от 1 до 1000 кэв в первом приближении аппроксимируется степенным законом. Изотропный фон, по-видимому, имеет внегалактич. происхождение, однако механизм его излучения до сих пор не ясен. Среди вероятных гипотез рассматриваются: обратный комптон-эффект межгалактич. электронов на инфракрасных фотонах активных галактик и на субмиллиметровых квантах фонового реликтового излучения, наложение излучения многих неразрешимых далёких внегалактич. источников, тепловое излучение горячего межгалактич. газа, а также различные комбинации этих механизмов.

В качестве детекторов излучения рентгеновского диапазона используются спец. фотоматериалы (для исследований Солнца), Гейгера-Мюллера счётчики, газонаполненные пропорциональные счётчики и сцинтилляционные счётчики. Все типы детекторов обеспечивают спектральное разрешение от 1 до 20 в зависимости от энергии регистрируемого излучения. Площадь пропорциональных счётчиков, с'помощью к-рых получены осн. результаты, достигает 1000 см². Для коллимации (ограничения поля зрения) применяются сотовые или щелевые коллиматоры, набранные из тонких гофрированных пластин стали с предельным угловым разрешением ок. неск. угловых минут, модуляционные коллиматоры, представляющие собой два (или более) ряда параллельно натянутых металлич. нитей (предельное разрешение ок. 20") и, наконец, зеркала косого падения гиперболич. и парабо-лич. сечения с углом падения более 88° (т. е. почти по касательной к плоскости зеркала). Такие зеркала пригодны для получения рентгеновского изображения в мягкой области спектра (Л > 10 А) с разрешением до 5". Для спектральных исследований (пока только солнечных) используются брэгговские кристаллич. спектрометры.

Р. а. относится к быстро развивающимся разделам внеатмосферной астрономии. Она имеет широкие перспективы, связанные с планируемыми запусками ракет или ИСЗ с большими счётчиковыми и зеркальными телескопами пл. 10⁴- 10⁵ см².

Лит.: Озерной Л. М., Прилуцкин О. Ф., Розенталь И. Л., Астрофизика высоких энергий, М., 1973; У и к с Т., Астрофизика высоких энергий, пер. с англ., М., 1972; Гинзбург В. Л., О физике и астрофизике. Какие проблемы представляются сейчас особенно важными и интересными?, 2 изд., М., 1974; Ультрафиолетовое излучение Солнца и межпланетная среда. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1962.

В. Г. Курт.

РЕНТГЕНОВСКАЯ КАМЕРА, прибор для изучения или контроля атомной структуры образца путём регистрации на фотоплёнке картины, возникающей при дифракции рентгеновских лучей на исследуемом образце. Р. к. применяют в рентгеновском структурном анализе. Назначение Р. к.- обеспечить выполнение условий дифракции рентгеновских лучей (см. Брэгга - Вульфа условие) и получение рентгенограмм.

Источником излучения для Р. к. служит рентгеновская трубка. Р. к. могут быть конструктивно различными в зависимости от специализации камеры (Р. к. для исследования монокристаллов, поликристаллов, Р. к. для получения малоугловых рентгенограмм, Р. к. для рентгеновской топографии и др.). Все типы Р. к. содержат коллиматор, узел установки образца, кассету с фотоплёнкой, механизм движения образца (а иногда и кассеты). Коллиматор формирует рабочий пучок первичного излучения и представляет собой систему щелей (отверстий), к-рые вместе с фокусом рентгеновской трубки определяют направление и расходимость пучка (т. н. геометрию метода). Вместо коллиматора на входе камеры может устанавливаться кристалл-монохроматор (плоский или изогнутый). Монохроматор выбирает в первичном пучке рентгеновское излучение определённых длин волн; аналогичный эффект может быть достигнут установкой в камере селективно поглощающих фильтров.

Узел установки образца обеспечивает его закрепление в держателе и задание ему начального положения относительно первичного пучка. Он служит также для центрировки образца (выведения его на ось вращения), а в Р. к. для исследования монокристаллов - и для наклона образца на гониометрической головке (рис. 1). Если образец имеет форму пластины, то его закрепляют на отъюстированных направляющих. Это исключает необходимость дополнит, центрировки образца. В рентгеновской топографии больших монокристаллич. пластин держатель образца может поступательно перемещаться (сканировать) синхронно со смещением плёнки при сохранении углового положения образца.

Кассета Р. к. служит для придания фотоплёнке необходимой формы и для её светозащиты. Наиболее распространённые кассеты - плоские и цилиндрические (обычно соосные с осью вращения образца; для фокусирующих методов образец помещают на поверхности цилиндра). В других Р. к. (напр., в рентгеновских гониометрах, в Р. к. для рентгеновской топографии) кассета перемещается или вращается синхронно с движением образца. В нек-рых Р. к. (интегрирующих) кассета, кроме того, смещается при каждом цикле рентгенографирования на малую величину. Это приводит к размазыванию дифракционного максимума на фотоплёнке, усреднению регистрируемой интенсивности излучения и повышает точность её измерения.

Движение образца и кассеты используют с различной целью. При вращении поликристаллов увеличивается число кристаллитов, попадающих в отражающее положение - дифракционная линия на рентгенограмме получается равномерно почернённой. Движение монокристалла позволяет вывести в отражающее положение различные кристаллографич. плоскости. В топографич. методах движение образца позволяет расширить область его исследования. В Р. к., где кассета перемещается синхронно с образцом, механизм её перемещения соединён с механизмом движения образца.

Рис. 1. Гониометрическая головка: О - образец; Д - дуговые направляющие для наклона образца в двух взаимно перпендикулярных направлениях; МЦ - механизм центрировки образца, служащий для выведения центра дуг, в котором находится образец, на ось вращения камеры.

Р. к. позволяет изучать структуру вещества как в нормальных условиях, так и при высоких и низких темп-pax, в глубоком вакууме, атмосфере спец. состава, при механич. деформациях и напряжениях и т. д. Держатель образца может иметь приспособления для создания необходимых темп-р, вакуума, давления, измерит, приборы и защиту узлов камеры от нежелательных воздействий.

Р. к. для исследования поликристаллов и монокристаллов существенно различны. Для исследования поликристлалов можно использовать параллельный первичный пучок (дебаевские Р. к.; рис. 2, а; см. также Дебая-Шеррера метод) и расходящийся (фокусирующие Р. к.; рис. 2, б и в). Фокусирующие Р. к. обладают большой экспрессностью измерений, но рентгенограммы, получаемые на них, регистрируют лишь ограниченную область углов дифракции. В этих Р. к. в качестве источника первичного излучения может служить радиоактивный изотопный источник (см. Рентгеновские лучи).  

Рис. 2. Основные схемы рентгеновских камер для исследования поликристаллов: а - дебаевская камера; б - фокусирующая камера с изогнутым кристаллом-монохроматором для исследования образцов "на просвет" (область малых углов дифракции); в - фокусирующая камера для обратной съёмки (большие углы дифракции) на плоскую кассету. Стрелками показаны направления прямого и дифрагированного пучков. О - образец; F - фокус рентгеновской трубки; М - кристалл-монохроматор; К - кассета с фотоплёнкой Ф; Л - ловушка, перехватывающая неиспользованный рентгеновский пучок; ФО - окружность фокусировки (окружность, по к-рой располагаются дифракционные максимумы); КЛ - коллиматор; МЦ - механизм центрировки образца.

Р. к. для исследования монокристаллов конструктивно различны в зависимости от их назначения. Существуют камеры для ориентировки кристалла, т. е. определения направления его кристаллографич. осей (рис. 3, а; см. также ст. Лауэграмма); Р. к. вращения-колебания для измерения параметров кри-сталлич. решётки (по измерению угла дифракции отдельных отражений или положению слоевых линий) и для определения типа элементарной ячейки (рис. 3, б и в); Р. к. для раздельной регистрации дифракционных максимумов (развёртки слоевых линий), наз. рентгеновскими гониометрами с фоторегистрацией; топо-графич. Р. к. для исследования нарушений кристаллич. решётки в почти совершенных кристаллах. Р. к. для монокристаллов часто снабжены системой отражательного гониометра для измерений и начальной установки огранённых кристаллов.

Рис. 3. Основные схемы рентгеновских камер для исследования монокристаллов; а - камера для исследования неподвижных монокристаллов по методу Лауэ; б - камера вращения. На фотоплёнке видны дифракционные максимумы, расположенные по слоевым линиям; при замене вращения на колебание образца число рефлексов на слоевых линиях ограничено интервалом колебаний. Вращение образца осуществляют с помощью шестерёнок 1 и 2, колебания его - через капоид 3 и рычаг 4; в - рентгеновская камера для определения размеров и формы элементарной ячейки. О - образец; ГГ - го-ниометрическая головка; Y - лимб и ось поворота гониометрической головки; КЛ - коллиматор; К - кассета с фотоплёнкой Ф; КЭ - кассета для съёмки эпиграмм (обратная съёмка); МД - механизм вращения или колебания образца; ф - лимб и ось колебания образца; сигма - дуговая направляющая наклонов оси гониометрической головки.

Для исследования аморфных и стеклообразных тел, а также растворов используют Р. к., регистрирующие рассеяние под малыми углами дифракции (порядка неск. угловых секунд) вблизи первичного пучка; коллиматоры таких камер должны обеспечить нерасходимость первичного пучка, чтобы можно было выделить излучение, рассеянное исследуемым объектом под малыми углами. Для этого используют сходимость пучка, протяжённые идеальные кристаллографич. плоскости, создают вакуум и т. д. Р. к. для изучения объектов микронных размеров применяют с острофокусными рентгеновскими трубками; в этом случае расстояние образец - фотоплёнка можно значительно уменьшить (микрокамеры).

Р. к. часто называют по имени автора метода рентгенографирования, используемого в данном приборе.

Лит.: Уманский М. М., Аппаратура рентгеноструктурных исследований, М., 1960; Гинье А., Рентгенография кристаллов, пер. с франц., М., 1961; Финкель В. А., Высокотемпературная рентгенография металлов, М., 1968; его же, Низкотемпературная рентгенография металлов, М., 1971.

В. В. Зубенко.

РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОСКОПИЯ, совокупность методов исследования микроскопич. строения объектов с помощью рентгеновского излучения. В Р. м. используют спец. приборы - рентгеновские микроскопы. Их предел разрешения может быть на 2-3 порядка выше, чем световых, поскольку длина волны X рентгеновского излучения на 2-3 порядка меньше длины волны видимого света. Специфичность взаимодействия рентгеновских лучей с веществом обусловливает отличие рентгеновских оптич. систем от оптич. систем для световых волн и для электронов. Малое отклонение показателя преломления рентгеновских лучей от единицы (меньше чем на 10^-4) практически не позволяет использовать для их фокусировки линзы и призмы. Электрич. и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, т. к. рентгеновские лучи инертны к электрич. и магнитному полям. Поэтому в Р. м. для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографич. изогнутых плоскостей (отражательная Р. м.). Благодаря высокой проникающей способности, простоте линейчатой структуры спектра и резкой зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения от атомного номера элемента Р. м. можно осуществить по методу проекции в расходящемся пучке лучей, испускаемых "точечным" источником (проекционная, или теневая, Р. м.).

Отражательный рентгеновский микроскоп содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения, изогнутые зеркала-отражатели из стекла (кварца с нанесённым на него слоем золота) или изогнутые монокристаллы и детекторы изображения (фотоплёнки, электроннооптические преобразователи). На рис. 1 приведена схема хода лучей в рентгеновском микроскопе с 2 зеркалами, повёрнутыми друг относительно друга на 90°. Получение высокого разрешения в отражательной Р. м. ограничивается малым углом полного внешнего отражения (угол скольжения < 0,5°), а следовательно, большими фокусными расстояниями (> 1 м) и очень жёсткими требованиями к качеству обработки поверхности зеркал (допустимая шероховатость ~10 А). Полное разрешение отражательных рентгеновских микроскопов определяется дифракционным эффектом (зависящим от X.) и угловой апертурой, не превышающей угла скольжения. Напр., для излучения с Л=lA и угла скольжения в 25' дифракционное разрешение не превышает 85 А (увеличение до 100 000 раз). Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем (астигматизм, кома).

Рис. 1. Схема фокусировки рентгеновских лучей в отражательном рентгеновском микроскопе с 2 скрещёнными зеркалами: ОО' - оптическая ось системы; А - объект; А' - его изображение. Увеличение О'А'/ОА.

Рис. 2. Схема проекционного рентгеновского микроскопа с использованием широкофокусной рентгеновской трубки и камеры-обскуры.

При использовании для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов, помимо геометрич. искажений, на качество изображения влияют структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций (см. Дифракция рентгеновских лучей).

Отражательные рентгеновские микроскопы не получили широкого распространения из-за технич. сложностей их изготовления и эксплуатации.

Проекционная Р. м. основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых "точечным" источником (рис. 2). Проекционные рентгеновские микроскопы состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1-1 мкм в диаметре [напр., спец. микрофокусная рентгеновская трубка или камера-обскура (диафрагма) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой], камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение М в методе проекционной Р. м. определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до объекта (а) и до детектора (b): М = b/а (см. рис. 3).

Рис. 3. Образование полутени Р_Г и дифракционной "бахромы" в проекционном рентгеновском микроскопе.  

Следовательно, объект должен находиться на малых расстояниях от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещённой вблизи окна трубки.

Линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1-0,5 мкм. Геометрич. разрешение определяется величиной нерезкости (полутени) края объекта Р_г, зависящей от размера источника рентгеновских лучей d и увеличения М: Рг = Мd. Дифракционное разрешение зависит от дифракционной френелевской "бахромы" на крае: Р_д = аЛ¹/₂, где а - расстояние от источника до объекта. Поскольку а практически не может быть меньше 1 мкм, разрешение при Л=1А составит 100 А (если размеры источника обеспечат такое же геометрич. разрешение). Контраст в изображении возникает благодаря различному поглощению рентгеновского излучения в областях объекта с различной плотностью или составом; чувствительность метода проекционной Р. м. определяется отличием коэффициентов поглощения рентгеновского излучения различными участками исследуемого объекта.

Проекционная Р. м. находит широкое применение для исследований микроскопич. строения различных объектов: в медицине (рис. 4), в минералогии (рис. 5), в металловедении (рис. 6) и др. областях науки и техники. С помощью рентгеновского микроскопа можно оценивать качество окраски или тонких покрытий, оклейки или отделки миниатюрных изделий. Он позволяет получать микрорентгенографии биологич. и бота-нич. срезов толщиной до 200 мкм. Его используют также для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов, при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов. Исследуемые образцы при этом не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, они не подвергаются разрушающему действию электронов. Применение в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет осуществлять оперативный контроль объектов в н.-и. и производств, условиях.  

Рис. 4. Рентгеновская микрофотография среза берцовой кости человека в месте перелома (по прошествии 28 дней после перелома). Видно клеточное строение костной ткани - остеоны и остеоциты (белые точки). Увеличение в 50 раз. 

Рис. 5. Рентгеновская микрофотография железной руды: а - силикат железа; б - магнетит. Увеличение в 50 раз.  

Рис. 6. Снимки микроструктуры сплава алюминия с 5% меди, полученные с помощью оптического (а) и рентгеновского (б) микроскопов. Для сравнения сняты одни и те же участки сплава. Вверху и внизу представлены снимки одинаковых по составу сплавов, кристаллизовавшихся с разной скоростью охлаждения (вверху 180 град/мин, внизу 1 град/мин). Рентгеновская микроскопия выявляет более тонкое строение микрозёрен сплава (микродендриты - тёмные полосы, скопления атомов меди по границам субзёрен - светлые линии). На верхних снимках увеличение в 250 раз, на нижних - в 100 раз.

Лит.: У м а н с к и и Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969; Ровинский Б. М., Лютцау В. Г., Камера-обскура для теневой рентгеновской микроскопии, "Изв. АН СССР. Сер. физическая", 1956, т. 20, № 7; Л ю т ц а у В. Г., Рентгеновская теневая микроскопия включений, неоднородности состава зерен и примесей по их границам, "Заводская лаборатория", 1959, т. 25, № 3; С о s s I e t t V. E., Nixon W. С., X-ray microscopy, Camb., 1960.

В. Г. Лютцау.

РЕНТГЕНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, получение рентгеновских спектров испускания и поглощения и их применение к исследованию электронной энергетич. структуры атомов, молекул и твёрдых тел. К Р. с. относят также рентгено-электронную спектроскопию, т. е. спектроскопию рентгеновских фото- и оже-электронов, исследование зависимости интенсивности тормозного и характеристич. спектров от напряжения на рентгеновской трубке (метод изохромат), спектроскопию потенциалов возбуждения.

Рентгеновские спектры испускания получают либо бомбардировкой исследуемого вещества, служащего мишенью в рентгеновской трубке, ускоренными электронами (первичные спектры), либо облучением вещества первичными лучами (флуоресцентные спектры). Спектры испускания регистрируются рентгеновскими спектрометрами (см. Спектральная аппаратура рентгеновская). Их исследуют по зависимости интенсивности излучения от энергии рентгеновского фотона. Форма и положение рентгеновских спектров испускания дают сведения об энергетическом распределении плотности состояний валентных электронов, позволяют экспериментально выявить симметрию их волновых функций и их распределение между сильно связанными локализованными электронами атома и коллективизированными электронами твёрдого тела.

Рентгеновские спектры поглощения образуются при пропускании узкого участка спектра тормозного излучения через тонкий слой исследуемого вещества. Исследуя зависимость коэффициента поглощения рентгеновского излучения веществом от энергии рентгеновских фотонов, получают сведения об энергетич. распределении плотности свободных электронных состояний. Спектральные положения границы спектра поглощения и максимумов его тонкой структуры позволяют найти кратность зарядов ионов в соединениях (её можно определить во многих случаях и по смещениям осн. линий спектра испускания). Р. с. даёт возможность также установить симметрию ближнего окружения атома, исследовать природу хим. связи. Рентгеновские спектры, возникающие при бомбардировке атомов мишени тяжёлыми ионами высокой энергии, дают информацию о распределении излучающих атомов по кратности внутренних ионизации. Рентгеноэлектронная спектроскопия находит применение для определения энергии внутренних уровней атомов, для хим. анализа и определения валентных состояний атомов в хим. соединениях.

Лит.: Б л о х и н М. А., Физика рентгеновских лучей, М., 1957; Рентгеновские лучи, под ред. М. А. Блохина, М., 1960; Баринский Р. Л. Нефедов В. И., Рентгено-спектральное определение заряда атомов в молекулах, М., 1966; Зимкина Т. М., Фомичев В. А., Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия, Л., 1971; Н е м о ш к а л е н к о В. В., Рентгеновская эмиссионная спектроскопия металлов и сплавов, К., 1972; X-ray spectroscopy, ed. L. V. Azaroff, N.- Y., 1974.

М. А. Блохин.

РЕНТГЕНОВСКАЯ СЪЁМКА, фотографич. или видеомагнитная регистрация теневого изображения различных объектов, получаемого при просвечивании их рентгеновскими лучами (РЛ) и отображающего внутр. строение объектов. Р. с. применяется в медицине, биологии, физике, технике и воен. деле. Объектами Р. с. могут быть внутренние органы и системы организма человека и животных, растения, пром. изделия, детали конструкций, образцы различных веществ и пр. Р. с. осуществляют либо прямым методом, при к-ром светочувствит. материал экспонируется непосредственно в РЛ, проходящих сквозь снимаемый объект, либо косвенным методом, при к-ром изображение объекта, образованное РЛ на флуоресцирующем экране, переснимается на фотокиноплёнку или записывается на магнитную ленту.

Рентгеновская фотосъёмка прямым методом производится на рентгеновскую плёнку (спец. вид фотоплёнки, характеризующийся очень высокой контрастностью при сравнительно высокой чувствительности к РЛ), заряженную в кассету, к-рая располагается за просвечиваемым объектом (см. Рентгенограмма). Для сокращения выдержки дополнительно применяют усилительные флуоресцирующие экраны, к-рые помещают с обеих сторон плёнки в непосредств. контакте с её эмульсионными слоями. При рентгеновской киносъёмке прямым методом, во избежание потери чёткости изображения из-за продвижения плёнки, просвечивание объекта производится лишь в период экспонирования кадра. Для этого на управляющую сетку трёхэлектродной рентгеновской трубки подаются импульсы тока от коммутатора, связанного с лентопротяжным механизмом съёмочного аппарата. В процессе съёмки плёнка перематывается с катушки на катушку и огибает на участке экспонирования покрытый флуоресцирующим слоем гладкий вращающийся барабан, к-рый служит усиливающим экраном. Таким способом при использовании рентгеновской трубки с холодной эмиссией достигают времени экспонирования кадра 10^-7 сек при частоте съёмки 100 кадров в сек.

При Р. с. косвенным методом изображение, образованное РЛ на флуоресцирующем экране с жёлто-зелёным или зелёным свечением, снимается при помощи фото- или киноаппарата на спец. флюорографич. плёнку с высокой чувствительностью к свету жёлто-зелёной области спектра или регистрируется видеомагнитофоном. Для усиления яркости изображения используют экраны с флуоресцирующим слоем, нанесённым на металлич. пластинку и покрытым с внешней стороны тонким металлич. слоем. При подаче на металлич. слой и пластинку постоянного напряжения свечение экрана усиливается приблизительно в 10 раз. Значительно большего усиления яркости достигают включением в схему рентгеновской съёмочной установки электроннооптич. преобразователя изображения (ЭОП). В таких установках РЛ после прохождения сквозь объект падают на фотокатод ЭОП, а изображение, полученное на экране последнего, переснимается фото- или киноаппаратом. Просвечивание объекта при рентгеновской киносъёмке косвенным методом в простейшем случае производится непрерывно в течение всего времени съёмки. Однако в большинстве совр. рентгеновских киноустановок рентгеновское излучение генерируется периодически - лишь во время экспонирования кадра. Благодаря этому интенсивность рентгеновского излучения во многих случаях (особенно в установках с ЭОП) может быть сохранена в пределах допустимых норм облучения биологич. объектов. Этот вид Р. с. широко используют в мед. рентгенодиагностике. При съёмке технич. объектов, где интенсивность рентгеновского облучения не играет существенной роли, частота импульсной Р. с. может достигать 1000 кадров в сек. См, также Электрорентгенография.

Лит.: Байза К. ХентерЛ., Xолбок Ш., Рентгенотехника, [пер. с венг.], Будапешт, 1973.

А. А. Сахаров.

РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОПОГРАФИЯ, совокупность рентгеновских дифракционных методов изучения различных дефектов строения в почти совершенных кристаллах. К таким дефектам относятся: блоки и границы структурных элементов, дефекты упаковки, дислокации, скопления атомов примесей, деформации. Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах различными методами "на просвет" и "на отражение" в спец. рентгеновских камерах, получают рентгенограмму - дифракционное изображение кристалла, наз. в структурном анализе топограммой. Физ. основу методов Р. т. составляет дифракционный контраст в изображении различных областей кристалла в пределах одного дифракционного пятна. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией кристаллич. решётки кристалла в этих точках. Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентации элементов субструктуры (фрагментов, блоков) в кристаллах, а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокаций, сегрегации примесей и напряжений. Р. т. отличают от др. рентгеновских методов исследования кристаллов высокая разрешающая способность и чувствительность, а также возможность исследования объёмного расположения дефектов в сравнительно крупных по размеру почти совершенных кристаллах (до десятков см).  

Рис. 1, а. Схема топографнрования кристалла "на отражение" по методу Шульца. Расходящийся из "точечного" (диаметром 25 мкм) фокуса пучок рентгеновских лучей с непрерывным спектром падает на кристалл под углами от 0 до 0', удовлетворяющими условию Лауэ для длин волн от X до X'. Отражённый пучок даёт его дифракционное изображение на фотоплёнке.  

Рис. 1, б. Топограмма по Шульцу алюминиевого монокристалла. Тёмные и светлые полосы на топограмме соответствуют границам блоков в кристалле. Их ширина и цвет определяются величиной и направлением взаимного разворота блоков в кристалле.  

Рис. 2, а. Схема топографирования кристаллов "на просвет" по методу Фудживара. Расходящийся из "точечного" источника пучок рентгеновских лучей с непрерывным спектром при прохождении через "тонкий" (толщиной t>=1/n, где n - коэффициент поглощения рентгеновских лучей) кристалл создаёт его изображение. Увеличение B/D. 

Рис. 2, б. Топограммы по Фудживара "на просвет" кристалла сапфира, полученные при расстоянии D = 100 мм и В - соответственно 50, 70, 100, 150 мм, что позволяет получать различное разрешение деталей блочной структуры кристалла. На топограмме 5 видны границы блоков (поперечные тёмная и светлая линии) и следы скольжения (тонкие зигзагообразные тёмные линии). Две параллельные вертикальные тёмные линии - следы дифракционных характеристических линий К_а и K_b, меняющих положение на границах блоков.

Рис. 3, а. Схема топографирования кристаллов "на отражение" по методу Берга и Барретта. Параллельный пучок монохроматического рентгеновского излучения от линейного источника падает на поверхность кристалла под брегговским углом, и дифракционное изображение фиксируется на фотоплёнке, расположенной вблизи кристалла параллельно его поверхности.  

Рис. 3, б. Топограмма блочного кристалла алюминия по Бергу - Барретту. Разворот блоков в кристалле фиксируется в виде светлых участков (1) и границ между тёмными участками (2).  

Рис. 4, а. Схема топографирования в широком параллельном пучке монохроматического рентгеновского излучения. От линейного фокуса щелями I и II формируется параллельный пучок лучей, падающий на кристалл под брэгговским углом 2 0, и из дифрагированного пучка щелью III выделяется параллельный пучок, фиксируемый на фотопластинке. Для исследования больших кристаллов во время съёмки кристалл и фотопластинку можно синхронно перемещать. 

Рис. 4, б. Топограмма монокристалла кремния, полученная по методу широкого параллельного пучка. Толщина кристалла 0,3 мм. Видны отдельные ростовые дислокации (тёмные линии). Фотоувеличение в 30 раз.  

Линейное разрешение многих методов Р. т. составляет от 20 до 1 мкм, угловое разрешение - от 1' до 0,01". Чувствительность определяется контрастом в интенсивностях дифрагированных лучей от "удачно" и "неудачно" ориентированных областей и от "совершенных" и "искажённых" областей кристалла.

Методы Р. т. различаются по области используемых углов дифракции, по характеру выявляемых дефектов (макроскопич. дефекты, дефекты кристаллич. решётки), степени несовершенства и дефектности кристаллов, чувствительности и разрешающей способности. На рис. 1-5 приведены принципиальные схемы некоторых методов Р. т. и топограммы кристаллов, полученные этими методами. Преобразование рентгеновских изображений в видимые с последующей их передачей на телевизионный экран позволяет осуществлять контроль дефектности кристаллов в процессе различных воздействий на них при технологич. обработке или при исследовании их свойств.  

Рис. 5, а. Схема топографирования кристаллов в узком параллельном пучке "на просвет" по методу Ланга. Рентгеновские монохроматические лучи от "точечного" источника выделяются узкой (0,1 мм) щелью так, что на кристалл попадает только из лучение К_a1. Дифракционное изображение выделяется второй щелью и фиксируется на фотопластинке. Монохроматичность излучения тем выше, чем больше расстояние А и меньше ширина щели S. Для больших кристаллов необходимо синхронное возвратно-поступательное перемещение кристалла и фотопластинки (щели при этом неподвижны).  

Рис. 5, б. Топограмма .монокристаллов кремния, полученная по методу Ланга. Толщина кристалла 0,5 мм. Видны отдельные дислокации (d). Фотоувеличение в 38 раз.

Лит.: Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972; Уманский Я. С., Рентгенография металлов, М., 1967; Лютцау В. Г., Ф и ш м а н Ю. М., Метод дифракционной топографии на основе сканирования в широком пучке рентгеновских лучей, "Кристаллография", 1969, т. 14, в. 5, с. 835; Р о в и н с к и й Б. М., Л ю т ц а у В. Г., Ханонкин А. А., Рентгенографические методы исследования структурных несовершенств и дефектов решетки в кристаллических материалах, "Аппаратура и методы рентгеновского анализа", 1971, в. 9, с. 3-35; Kozaki S., Нashizume H., Kohra К., High-resolution video display of X-ray topographs with the divergent Laue method, "Japanese Journal of Applied Physics", 1972, v. 11, Me 10, p, 1514.

В. Г. Лютцау,

РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА, электровакуумный прибор, служащий источником рентгеновского излучения. Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов, ускоренных сильным электрич. полем в пространстве между анодом и катодом, частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Излучение Р. т. представляет собой наложение тормозного рентгеновского излучения на характеристич. излучение вещества анода (см. Рентгеновские лучи). Р. т. различают: по способу получения потока электронов - с термоэмиссионным (подогревным) катодом, автоэмиссионным (острийным) катодом, катодом, подвергаемым бомбардировке положит, ионами и с радиоактивным (B) источником электронов; по способу вакуумирования - отпаянные, разборные; по времени излучения - непрерывного действия, импульсные; по типу охлаждения анода - с водяным, масляным, воздушным, радиационным охлаждением; по размерам фокуса (области излучения на аноде) - макрофокусные, острофокусные и микрофокусные; по его форме - кольцевой, круглой, линейчатой формы; по способу фокусировки электронов на анод - с электростатич., магнитной, электромагнитной фокусировкой.

Р. т. применяют в рентгеновском структурном анализе (рис. 1, а), спектральном анализе рентгеновском, дефектоскопии (рис. 1, б), рентгенодиагностике (рис. 1, в), рентгенотерапии, рентгеновской микроскопии и микрорентгенографии. Наибольшее применение во всех областях находят отпаянные Р. т. с термоэмиссионным катодом, водоохлаждаемым анодом, электростатич. системой фокусировки электронов (рис. 2). Термоэмиссионный катод Р. т. обычно представляет собой спираль или прямую нить из вольфрамовой проволоки, накаливаемую электрич. током. Рабочий участок анода - металлич. зеркальная поверхность - расположен перпендикулярно или под нек-рым углом к потоку электронов. Для получения сплошного спектра рентгеновского излучения высоких энергий и интенсивности используют аноды из Au, W; в структурном анализе пользуются Р. т. с анодами из Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag. Осн. характеристики Р. т.- предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 кв), электронный ток (0,01 ма - 1 а), удельная мощность, рассеиваемая анодом (10- 10⁴ вт/мм²), общая потребляемая мощность (0,002 вт - 60 квт) и размеры фокуса (1 мкм - 10 мм). Кпд Р. т. составляет 0,1-3%.  

Рис. 1. Общий вид рентгеновских трубок для структурного анализа (а), дефектоскопии (б) и медицинской рентгенодиагностики (в).  

Рис. 2. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 - металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 - окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 - термоэмиссионный катод; 4 - стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 - выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 - электростатическая система фокусировки электронов; 7 - анод (антикатод ); 8 - патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный стакан.

Лит.: Тейлор А., Рентгеновская металлография, пер. с англ., М., 1965; У м а н с к и й Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969; Шмелев В, К., Рентгеновские аппараты, М., 1973.

В. Г. Лютцау.

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

Источники Р. л. Наиболее распространённый источник Р. л.- рентгеновская трубка. В качестве источников Р. л. могут служить также нек-рые радиоактивные изотопы: одни из них непосредственно испускают Р. л., ядерные излучения других (электроны или а-частицы) бомбардируют металлич. мишень, к-рая испускает Р. л. Интенсивность рентгеновского излучения изотопных источников на неск. порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки, но габариты, вес и стоимость изотопных источников несравненно меньше, чем установки с рентгеновской трубкой.

Источниками мягких Р. л. с X порядка десятков и сотен А могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в неск. Гэв. По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2-3 порядка.

Естественные источники Р. л.- Солнце и др. космич. объекты.

Свойства Р. л. В зависимости от механизма возникновения Р. л. 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 значит, интенсивности лишь при бомбардировке мишени электронами. Интенсивность тормозных Р. л. распределена по всем частотам до высокочастотной границы v₀, на к-рой энергия фотонов hv₀ (h - Планка постоянная) равна энергии eV бомбардирующих электронов (е - заряд электрона, V - разность потенциалов ускоряющего поля, пройденная ими). Этой частоте соответствует коротковолновая граница спектра Л₀ = = 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, напр., электроном (первичные Р. л.), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные Р. л.). 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 наз. характеристическим. Зависимость частоты v линий этого спектра от атомного номера Z определяется Мозли законом: корень из v = AZ + В, где А и В - величины, постоянные для каждой линии спектра.

Тормозное рентгеновское излучение, испускаемое очень тонкими мишенями, полностью поляризовано вблизи V₀; с уменьшением v степень поляризации падает. Характеристич. излучение, как правило, не поляризовано.

При взаимодействии Р. л. с веществом может происходить фотоэффект, сопровождающее его поглощение Р. л. и их рассеяние. Фотоэффект наблюдается в том случае, когда атом, поглощая рентгеновский фотон, выбрасывает один из своих внутр. электронов, после чего может совершить либо излучательный переход, испустив фотон характеристич. излучения, либо выбросить второй электрон при безызлучательном переходе (оже-электрон). Под действием Р. л. на неметаллич. кристаллы (напр., 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 темпгратуры.

При прохождении Р. л. через слой вещества толщиной х их начальная интенсивность I₀ уменьшается до величины I= I₀e^-nx, где ц - 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 Р. л., в коротковолновой - их рассеяние. Степень поглощения быстро растёт с увеличением Z и X. Напр., жёсткие Р. л. свободно проникают через слой воздуха ~ 10 см; алюминиевая пластинка в 3 см толщиной ослабляет Р. л. с X = 0,027А вдвое; мягкие Р. л. значительно поглощаются в воздухе и их использование и исследование возможно лишь в вакууме или в слабо поглощающем газе (напр., Не). При поглощении Р. л. атомы вещества ионизуются.

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

Рассеяние Р. л. в области больших Z и X происходит в основном без изменения X и носит назв. когерентного рассеяния, а в области малых Z и Л, как правило, X возрастает (некогерентное рассеяние). Известно 2 вида некогерентного рассеяния Р. л.- комптоновское и комбинационное. При комптоновском рассеянии, носящем характер неупругого корпуску-лярного 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 X 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 X таких фотонов не зависит от угла рассеяния.

Показатель преломления п для Р. л. отличается от 1 на очень малую величину б=1-т~10^-6-10^-5. Фазовая скорость Р. л. в среде больше скорости света в вакууме. Отклонение Р. л. при переходе из одной среды в другую очень мало (неск. угловых минут). При падении Р. л. из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.

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

Р. л. больших интенсивностей можно регистрировать с помощью ионизационной камеры, Р. л. средних и малых интенсивностей при Л < 3 А - сцинтилляционным счётчиком с кристаллом Nal (T1), при 0,5 < Л < 5 А - Гейгера - Мюллера счётчиком и отпаянным пропорциональным счётчиком, при 1 < Л < 100 А - проточным пропорциональным счётчиком, при Л < 120 А - полупроводниковым детектором. В области очень больших Л (от десятков до 1000 А) для регистрации Р. л. могут быть использованы вторично-электронные умножители открытого типа с различными фотокатодами на входе.

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

Рентгеновский структурный анализ позволяет установить пространственное расположение атомов в кристаллич. решётке минералов и соединений, в неорганич. и органич. молекулах. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллич. вещества, напр., легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллич. состав этого вещества, т. е. выполнен фазовый анализ (см. Дебая - Шеррера метод). Многочисленными применениями Р. л. для изучения свойств твёрдых тел занимается рентгенография материалов.

Рентгеновская микроскопия позволяет, напр., 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 хим. связи, находит эффективный заряд ионов в твёрдых телах и молекулах. Спектральный анализ рентгеновский по положению и интенсивности линий характеристич. спектра позволяет установить качеств, и количеств, состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургич. и цементных заводах, обогатительных фабриках. При автоматизации этих предприятий применяются в качестве датчиков состава вещества рентгеновские спектрометры и квантометры (см. Спектральная аппаратура рентгеновская).

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

Лит.: Б л о х и н 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., I960; X а р а д ж а 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.

М. А. Блохин.

РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ, спектры испускания и поглощения рентгеновских лучей, т. е. электромагнитного излучения в области длин волн от 10^-4 до 10³ А. Для исследования спектров рентгеновского излучения, получаемого, напр., в рентгеновской трубке, применяют спектрометры с кристаллом-анализатором (или дифракционной решёткой) либо бескристальную аппаратуру, состоящую из детектора (сцинтилляционного, газового пропорционального или полупроводникового счётчика) и амплитудного анализатора импульсов (см. Спектральная аппаратура рентгеновская). Для регистрации Р. с. применяют рентгенофотоплёнку и различные детекторы ионизирующих излучений.

Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического Р. с. Тормозной Р. с. возникает при торможении заряженных частиц, бомбардирующих мишень (см. Тормозное излучение). Интенсивность тормозного спектра быстро растёт с уменьшением массы бомбардирующих частиц и достигает значит, величины при возбуждении электронами. Тормозной Р. с.- сплошной, т. к. частица может потерять при тормозном излучении любую часть своей энергии. Он непрерывно распределён по всем длинам волн Л, вплоть до коротковолновой границы Л₀ = hc/eV (h - Планка постоянная, с - скорость света, е. - заряд бомбардирующей частицы, V - пройденная ею разность потенциалов). С возрастанием энергии частиц интенсивность тормозного Р. с. I растёт, а Хо смещается в сторону коротких волн (рис. 1). С увеличением порядкового номера Z атомов мишени I также растёт.

Рис. 1. Распределение интенсивности 1 тормозного излучения W по длинам волн X при различных напряжениях V на рентгеновской трубке.

Характеристич. Р. с. испускают атомы мишени, у к-рых при столкновении с заряженной частицей высокой энергии или фотоном первичного рентгеновского излучения с одной из внутренних оболочек (К-, L-, М- ...оболочек) вылетает электрон. Состояние атома с вакансией во внутренней оболочке (его начальное состояние) неустойчиво. Электрон одной из внешних оболочек может заполнить эту вакансию, и атом при этом переходит в конечное состояние с меньшей энергией (состояние с вакансией во внешней оболочке). Избыток энергии атом может испустить в виде фотона характеристич. излучения. Поскольку энергии E₁ начального и E₂ конечного состояний атома квантованы, возникает линия Р. с. с частотой v = (E₁ - E₂)/h. Все возможные излучательные квантовые переходы атома из начального К-состояния образуют наиболее жёсткую (коротковолновую) K-серию. Аналогично образуются L-, М-, N-серии (рис. 2). Положение линий характеристич. Р. с. зависит от атомного номера элемента, составляющего мишень (см. Мозли закон).

Рис. 2. Схема К-, L-, М-уровней атома и основные линии К- и L-серий.

Каждая серия характеристич. Р. с. возбуждается при прохождении бомбардирующими частицами определённой разности потенциалов-потенциала возбуждения V_q (q - индекс возбуждаемой серии). При дальнейшем росте V интенсивность I линий этого спектра растёт пропорционально (V - V_q)², затем рост интенсивности замедляется и при V~11V_q, начинает падать.

Относительные интенсивности линий одной серии определяются вероятностями квантовых переходов и, следовательно, соответствующими отбора правилами. Кроме наиболее ярких линий дипольного электрич. излучения, в характеристич. Р. с. могут быть обнаружены линии квадрупольного и октупольного электрических излучений и линии дипольного и квадрупольного магнитных излучений.

Р. с. поглощения получают, пропуская первичное рентгеновское излучение непрерывного спектра через тонкий поглотитель. При этом распределение интенсивности по спектру изменяется - наблюдаются скачки и флуктуации поглощения, к-рые и представляют собой Р. с. поглощения. Для каждого уровня Р. с. поглощения имеют резкую низкочастотную (длинноволновую) границу v_q(hv_q=eV_q), при к-рой наблюдается первый скачок поглощения (рис. 3).

Р. с. нашли применение в рентгеновской спектроскопии, спектральном анализе рентгеновском, рентгеновском структурном анализе.

Рис. 3. Зависимость интенсивности I тормозного рентгенов ского спектра от частоты v вблизи v_q 1 - без поглотителя; 2 - после прохождения поглотителя.

Лит. см. при ст. Рентгеновские лучи.

М. А. Блохин.

РЕНТГЕНОВСКИЙ ГОНИОМЕТР, прибор, с помощью к-рого можно одновременно регистрировать направление дифрагированных на исследуемом образце рентгеновских лучей и положение образца в момент возникновения дифракции. Р. г. может быть самостоятельным прибором, регистрирующим на фотоплёнке дифракционную картину; в этом случае он представляет собой рентгеновскую камеру. Р. г. называют также все гониометрич. устройства, являющиеся составной частью рентгеновских дифрактометров и служащие для установки образца и детектора в положения, соответствующие условиям возникновения дифракции рентгеновских лучей.

В Р. г. с фоторегистрацией для исследования монокристаллов или текстур щелевым экраном выделяют дифракционный конус, соответствующий исследуемой кристаллографич. плоскости. Фотоплёнка и образец движутся синхронно, поэтому одна из координат на плёнке соответствует азимутальному углу дифрагированного луча, вторая - углу поворота образца [так работает Р. г. Вайсенберга (рис. 1), текстурный Р. г. Жданова].

Рис. 1. Схема рентгеновского гониометра типа Вайсенберга. Зубчатые передачи и ходовый винт обеспечивают синхронное движение исследуемого образца (О) и цилиндрической кассеты (К) с рентгеновской плёнкой.

Рис. 2. Схема экваториального четырёхкружного гониометра для исследования монокристаллов. Лимб 1 измеряет Ф₂ - угол поворота кристалла вокруг оси гониометрической головки; лимб 2 регистрирует х- угол наклона оси Ф; лимб 3 изменяет w - угол вращения кристалла относительно главной оси гониометра; лимб 4 измеряет угол поворота счётчика 2 0.

В Р. г. для дифрактометров может быть использована аналогичная схема, однако угол поворота образца и углы поворота и наклона детектора в этом случае отсчитываются непосредственно по лимбам или датчикам, установленным на соответствующих валах. В рентгеновских дифрактометрах для исследования монокристаллов и текстур применяется т. н. экваториальная геометрия: счётчик перемещается только в одной плоскости, а образец нужно поворачивать вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей таким образом, чтобы дифрагированный пучок попал в плоскость движения счётчика. Положения образца (углы X, Ф, со его поворота вокруг осей вращения) и счётчика (угол 20) в момент дифракции отсчитываются по лимбам (рис. 2).

Рис. 3. Схема фокусировки лучей в рентгеновском гониометре по Брэггу - Брентано для исследования поликрин сталлических образцов; F - фокус рентгеновской трубки; О - плоский образец; D - щель счётчика; С - счётчик; 2О - угол отражения.

Рис. 4. Схема фокусировки лучей в рентгеновском гониометре по Зееману - Болину; F - фокус рентгеновской трубки; О - изогнутый образец; D - щели счётчиков; С - счётчики.

Для исследования поликристаллич. образцов используют слегка расходящийся пучок рентгеновских лучей, к-рый после дифракции на объекте сходится в одну точку. В этом случае применяются схемы съёмки по Брэггу - Брентано, когда плоскость образца делит угол рассеяния пополам (рис. 3), и Зееману - Болину, когда фокус рентгеновской трубки, образец и щель детектора располагаются на одной окружности (рис. 4).

В Р. г. входят также системы, формирующие первичный пучок (коллиматоры, монохроматоры), и системы движения для измерения интегральной интенсивности.

Лит.: Уманский М. М., Аппаратура рентгеноструктурных исследований, М., 1960; Хейкер Д. М., Зевин Л. С., Рентгеновская дифрактометрия, М., 1963; Хейкер Д. М., Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов, Л., 1973.

 Д. М. Xeйкep.

РЕНТГЕНОВСКИЙ ДИФРАКТОМЕТР, прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновского излучения, дифрагированного на кристал-лич. объекте. Р. д. применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа. Он позволяет измерять интенсивности дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до 10-х долей процента и углы дифракции с точностью до 10-х долей минуты. С помощью Р. д. можно производить фазовый анализ поликристаллических объектов и исследование текстур, ориентировку монокристальных блоков, получать полный набор ин-тенсивностей отражений от монокристалла, исследовать структуру многих веществ при различных внешних условиях и т. д.

Р. д. состоит из источника рентгеновского излучения, рентгеновского гониометра, в к-рый помещают исследуемый образец, детектора излучения и электронного измерительно-регистрирующего устройства. Детектором в Р. д. служит не фотоплёнка, как в рентгеновской камере, а счётчики квантов (сцинтилляционные, пропорциональные, полупроводниковые счётчики или Гейгера - Мюллера счётчики). Дифракционную картину образца в Р. д. получают последовательно: счётчик перемещается в процессе измерения и регистрирует попавшую в него энергию излучения за определённый интервал времени. По сравнению с рентгеновскими камерами Р. д. обладают более высокой точностью, чувствительностью, большей экспрессностью. Процесс получения информации в Р. д. может быть полностью автоматизирован, поскольку в нём отсутствует необходимость проявления фотоплёнки, причём в автоматич. Р. д. прибором управляют ЭВМ, полученные данные поступают на обработку в ЭВМ. Универсальные Р. д. можно использовать для различных рентгеноструктурных исследований, заменяя приставки к гониометрическому устройству. В больших лабораториях применяются специализированные дифрактометры, предназначенные для решения какой-либо одной задачи рентгеноструктурного анализа.

Лит.: X е й к е р Д. М., З е в и н Л. С., Рентгеновская дифрактометрия, М., 1963; Хейкер Д. М., Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов, Л., 1973.

Д. М. Хейкер.

РЕНТГЕНОВСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ, методы исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Р. с. а. наряду с нейтронографией и электронографией является дифракционным структурным методом; в его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате к-рого возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны ~ 1 А, т. е. порядка размеров атомов. Методами Р. с. а. изучают металлы, сплавы, минералы, неорганич. и органич. соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т. д. Наиболее успешно Р. с. а. применяют для установления атомной структуры кристаллич. тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.

Историческая справка. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах была открыта в 1912 нем. физиками М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом. Направив узкий пучок рентгеновских лучей на неподвижный кристалл, они зарегистрировали на помещённой за кристаллом фотопластинке дифракционную картину, к-рая состояла из большого числа закономерно расположенных пятен. Каждое пятно - след дифракционного луча, рассеянного кристаллом. Рентгенограмма, полученная таким методом, носит назв. лауэграммы (рис. 1).

Разработанная Лауэ теория дифракции рентгеновских лучей на кристаллах позволила связать длину волны Л, излучения, параметры элементарной ячейки кристалла а, о, с (см. Кристаллическая решётка), углы падающего (а₀, b₀, y₀) и дифракционного (а, b, y) лучей соотношениями:

где h, k, l - целые числа (миллеровские индексы). Для возникновения дифракционного луча необходимо выполнение приведённых условий Лауэ [уравнений (1)], к-рые требуют, чтобы в параллельных лучах разность хода между лучами, рассеянными атомами, отвечающими соседним узлам решётки, были равны целому числу длин волн.

В 1913 У. Л. Брэгг и одновременно с ним Г. В. Вулъф предложили более наглядную трактовку возникновения дифракционных лучей в кристалле. Они показали, что любой из дифракционных лучей можно рассматривать как отражение падающего луча от одной из систем кристаллографич. плоскостей (дифракционное отражение, см. Брэгга - Вулъфа условие). В том же году У. Г. и У. Л. Брэгги впервые исследовали атомные структуры простейших кристаллов с помощью рентгеновских дифракционных методов. В 1916 П. Дебай и нем. физик П. Шеррер предложили использовать дифракцию рентгеновских лучей для исследования структуры поликристаллич. материалов. В 1938 франц. кристаллограф А. Гинье разработал метод рентгеновского малоуглового рассеяния для исследования формы и размеров неоднородностей в веществе.

Применимость Р. с. а. к исследованию широкого класса веществ, производств, необходимость этих исследований стимулировали развитие методов расшифровки структур. В 1934 амер. физик А. Патерсон предложил исследовать строение веществ с помощью функции межатомных векторов (функции Патерсона). Амер. учёные Д. Харкер, Дж. Каспер (1948), У. Захариасен, Д. Сейр и англ, учёный В. Кокрен (1952) заложили основы т. н. прямых методов определения кристал-лич. структур. Большой вклад в развитие патерсоновских и прямых методов Р. с. а. внесли Н. В. Белов, Г. С. Жданов, А. И. Китайгородский, Б. К. Вайнштейн, М. А. Порай-Кошиц (СССР), Л. Полине, П. Эвальд, М. Бюргер, Дж. Карле, Г. Хауптман (США), М. Вульфсон (Великобритания) и др. Работы по исследованию пространственной структуры белка, начатые в Англии Дж. Берналом (30-е гг.) и успешно продолженные Дж. Кендрю, М. Перуцем, Д. Кроуфут-Ходжкин и др., сыграли исключительно важную роль в становлении молекулярной биологии. В 1953 Дж. Уотсон к Ф. Крик предложили модель молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), к-рая хорошо согласовалась с результатами рентгенографич. исследований ДНК, полученными М. Уилкинсом.

В 50-х гг. начали бурно развиваться методы Р. с. а. с использованием ЭВМ в технике эксперимента и при обработке рентгеновской дифракционной информации.

Экспериментальные методы Р. с. а. Для создания условий дифракции и регистрации излучения служат рентгеновские камеры и рентгеновские дифрактометры. Рассеянное рентгеновское излучение в них фиксируется на фотоплёнке или измеряется детекторами ядерных излучений. В зависимости от состояния исследуемого образца и его свойств, а также от характера и объёма информации, к-рую необходимо получить, применяют различные методы Р. с. а. Монокристаллы, отбираемые для исследования атомной структуры, должны иметь размеры ~0,1 мм и по возможности обладать совершенной структурой. Исследованием дефектов в сравнительно крупных почти совершенных кристаллах занимается рентгеновская топография, к-рую иногда относят к Р. с. а.

Метод Лауэ - простейший метод получения рентгенограмм от монокристаллов. Кристалл в эксперименте Лауэ неподвижен, а используемое рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр. Расположение дифракционных пятен на лауэграммах (рис. 1) зависит от симметрии кристалла и его ориентации относительно падающего луча. Метод Лауэ позволяет установить принадлежность исследуемого кристалла к одной из 11 лауэв-ских групп симметрии и ориентировать его (т. е. определять направление кристаллографич. осей) с точностью до неск. угловых минут. По характеру пятен на лауэграммах и особенно появлению астеризма можно выявить внутр. напряжения и нек-рые др. дефекты кристаллич. структуры. Методом Лауэ проверяют качество монокристаллов при выборе образца для его более полного структурного исследования.  

Рис. 1. Лауэграмма монокристалла NaCl. Каждое пятно представляет собой след рентгеновского дифракционного отражения. Диффузные радиальные пятна в центре вызваны рассеянием рентгеновских лучей на тепловых колебаниях кристаллической решётки.

Методы качания и вращения образца используют для определения периодов повторяемости (постоянной решётки) вдоль кристаллографич. направления в монокристалле. Они позволяют, в частности, установить параметры а, Ь, с элементарной ячейки кристалла. В этом методе используют монохроматич. рентгеновское излучение, образец приводится в колебательное или вращательное движение вокруг оси, совпадающей с кристаллографич. направлением, вдоль к-рого и исследуют период повторяемости. Пятна на рентгенограммах качания и вращения, полученных в цилиндрич. кассетах, располагаются на семействе параллельных линий (рис. 2). Расстояния между этими линиями, длина волны излучения и диаметр кассеты рентгеновской камеры позволяют вычислить искомый период повторяемости в кристалле. Условия Лауэ для дифракционных лучей в этом методе выполняются за счёт изменения углов, входящих в соотношения (1) при качании или вращении образца.

Рентгенгониометрические методы. Для полного исследования структуры монокристалла методами Р. с. а. необходимо не только установить положение, но и измерить интенсивности как можно большего числа дифракционных отражений, к-рые могут быть получены от кристалла при данной длине волны излучения и всех возможных ориентациях образца. Для этого дифракционную картину регистрируют на фотоплёнке в рентгеновском гониометре и измеряют с помощью микрофотометра степень почернения каждого пятна на рентгенограмме. В рентгеновском дифрактометре можно непосредственно измерять интенсивность дифракционных отражений с помощью пропорциональных, сцинтилляционных и др. счётчиков рентгеновских квантов. Чтобы иметь полный набор отражений, в рентгеновских гониометрах получают серию рентгенограмм. На каждой из них фиксируются дифракционные отражения, на миллеровские индексы к-рых накладывают определённые ограничения (напр., на разных рентгенограммах регистрируются отражения типа hk0, hk1 и т. д.). Наиболее часто производят рентгеногониометрич. эксперимент по методам Вайсенберга (рис. 3), Бюргера (рис. 4) и де Ионга - Боумена. Такую же информацию можно получить и с помощью рентгенограмм качания.  

Рис. 2. Рентгенограммы минерала сейдозерита, полученные методами вращения (вверху) и качания (внизу) кристалла. Уменьшая угол качания, можно зафиксировать отдельные рентгеновские отражения без их взаимного перекрытия (на рентгенограмме вращения они, как правило, перекрываются).  

Рис. 3. Рентгенограмма минерала сейдозерита, полученная в рентгеновском гониометре Вайсенберга. Зарегистрированные отражения имеют индексы hkO. Отражения, расположенные на одной кривой, характеризуются постоянным индексом k.

Для установления атомной структуры средней сложности (~50-100 атомов в элементарной ячейке) необходимо измерить интенсивности неск. сотен и даже тысяч дифракционных отражений. Эту весьма трудоёмкую и кропотливую работу выполняют автоматич. микроденситометры и дифрактометры, управляемые ЭВМ, иногда в течение неск. недель и даже месяцев (напр., при анализе структур белков, когда число отражений возрастает до сотен тысяч). Применением в дифрак-тометре неск. счётчиков, к-рые могут параллельно регистрировать отражения, время эксперимента удаётся значительно сократить. Дифрактометрич. измерения превосходят фоторегистрацию по чувствительности и точности.

Метод исследования поликристаллов (Дебая - Шеррера метод). Металлы, сплавы, кристал-лич. порошки состоят из множества мелких монокристаллов данного вещества. Для их исследования используют монохроматич. излучение. Рентгенограмма (дебаеграмма) поликристаллов представляет собой неск. концентрич. колец, в каждое из к-рых сливаются отражения от определённой системы плоскостей различно ориентированных монокристаллов (рис. 5). Дебаеграммы различных веществ имеют индивидуальный характер и широко используются для идентификации соединений (в т. ч. и в смесях). Р. с. а. поликристаллов позволяет определять фазовый состав образцов, устанавливать размеры и преимущественную ориентацию (текстурирование) зёрен в веществе, осуществлять контроль за напряжениями в образце и решать др. технич. задачи.  

Рис. 4. Рентгенограмма кристалла миоглобина.  

Рис. 5. Рентгенограмма поликристаллического образца, полученная методом Дебая - Шеррера. Концентрические окружности расположены вокруг отверстий для входа и выхода первичного рентгеновского пучка.

Исследование аморфных материалов и частично упорядоченных объектов. Чёткую рентгенограмму с острыми дифракционными максимумами можно получить только при полной трёхмерной периодичности образца. Чем ниже степень упорядоченности атомного строения материала, тем более размытый, диффузный характер имеет рассеянное им рентгеновское излучение. Диаметр диффузного кольца на рентгенограмме аморфного вещества (рис. 6) может служить для грубой оценки средних межатомных расстояний в нём. С ростом степени упорядоченности (см. Дальний порядок и ближний порядок) в строении объектов дифракционная картина усложняется (рис. 7, а, б, в) и, следовательно, содержит больше структурной информации.  

Рис. 6. Рентгенограмма аморфного вещества (ацетата целлюлозы).  

Рис. 7. Рентгенограммы биологических объектов: а - волоса; б - натриевой соли ДНК во влажном состоянии; в - текстуры натриевой соли ДНК.

Метод малоуглового рассеяния позволяет изучать пространственные неоднородности вещества, размеры к-рых превышают межатомные расстояния, т. е. составляют от 5-10 А до ~ 10 000 А. Рассеянное рентгеновское излучение в этом случае концентрируется вблизи первичного пучка - в области малых углов рассеяния. Малоугловое рассеяние применяют для исследования пористых и мелкодисперсных материалов, сплавов и сложных биологич. объектов: вирусов, клеточных мембран, хромосом. Для изолированных молекул белка и нуклеиновых кислот метод позволяет определить их форму, размеры, молекулярную массу; в вирусах - характер взаимной укладки составляющих их компонент: белка, нуклеиновых кислот, ли-пидов; в синтетич. полимерах - упаковку полимерных цепей; в порошках и сорбентах - распределение частиц и пор по размерам; в сплавах - возникновение и размеры фаз; в текстурах (в частности, в жидких кристаллах) - форму упаковки частиц (молекул) в различного рода над-молекулярные структуры. Рентгеновский малоугловой метод применяется и в пром-сти при контроле процессов изготовления катализаторов, высокодисперсных углей и т. д. В зависимости от строения объекта измерения производят для углов рассеяния от долей минуты до неск. градусов.

Определение атомной структуры по данным дифракции рентгеновских лучей.

Расшифровка атомной структуры кристалла включает: установление размеров и формы его элементарной ячейки; определение принадлежности кристалла к одной из 230 фёдоровских (открытых Е. С. Фёдоровым) групп симметрии кристаллов; получение координат базисных атомов структуры. Первую и частично вторую задачи можно решить методами Лауэ и качания или вращения кристалла. Окончательно установить группу симметрии и координаты базисных атомов сложных структур возможно только с помощью сложного анализа и трудоёмкой математич. обработки значений интенсивностей всех дифракционных отражений от данного кристалла. Конечная цель такой обработки состоит в вычислении по эксперимент, данным значений электронной плотности р (х,у,z) в любой точке ячейки кристалла с координатами х, у, 2. Периодичность строения кристалла позволяет записать электронную плотность в нём через Фурье ряд:

где V - объём элементарной ячейки, F_hki - коэфф. Фурье, к-рые в Р. с. а. наз. структурными амплитудами, i=корень из -1. Каждая структурная амплитуда характеризуется тремя целыми числами hkl и связана с тем дифракционным отражением, к-рое определяется условиями (1). Назначение суммирования (2) - математически собрать дифракционные рентгеновские отражения, чтобы получить изображение атомной структуры. Производить таким образом синтез изображения в Р. с. а. приходится из-за отсутствия в природе линз для рентгеновского излучения (в оптике видимого света для этого служит собирающая линза).

Дифракционное отражение - волновой процесс. Он характеризуется амплитудой, равной |F_hkl|, и фазой a_hkl (сдвигом фазы отражённой волны по отношению к падающей), через к-рую выражается структурная амплитуда: F_hkl=|F_hkl|(COSа_hkl+i*sin a_hkl). Дифракционный эксперимент позволяет измерять только интенсивности отражений, пропорциональные |F_hkl|², но не их фазы. Определение фаз составляет основную проблему расшифровки структуры кристалла. Определение фаз структурных амплитуд в принципиальном отношении одинаково как для кристаллов, состоящих из атомов, так и для кристаллов, состоящих из молекул. Определив координаты атомов в молекулярном кристаллич. веществе, можно выделить составляющие его молекулы и установить их размер и форму.

Легко решается задача, обратная структурной расшифровке: вычисление по известной атомной структуре структурных амплитуд, а по ним - интенснвностей дифракционных отражений. Метод проб и ошибок, исторически первый метод расшифровки структур, состоит в сопоставлении экспериментально полученных F_hkl|_эксп с вычисленными на основе пробной модели значениями |F_hkl|_выч. В зависимости от величины фактора расходимости

пробная модель принимается или отвергается. В 30-х гг. были разработаны для кристаллических структур более формальные методы, но для некристаллических объектов метод проб и ошибок по-прежнему является практически единственным средством интерпретации дифракционной картины.

Принципиально новый путь к расшифровке атомных структур монокристаллов открыло применение т. н. функдий Патерсона (функций межатомных векторов). Для построения функции Патерсона нек-рой структуры, состоящей из N атомов, перенесём её параллельно самой себе так, чтобы в фиксированное начало координат попал сначала первый атом. Векторы от начала координат до всех атомов структуры (включая вектор нулевой длины до первого атома) укажут положение N максимумов функции межатомных векторов, совокупность к-рых наз. изображением структуры в атоме 1. Добавим к ним ещё N максимумов, положение к-рых укажет N векторов от второго атома, помещённого при параллельном переносе структуры в то же начало координат. Проделав эту процедуру со всеми N атомами (рис. 8), мы получим N² векторов. Функция, описывающая их положение, и есть функция Патерсона.

Для функции Патерсона Р(и, v, w) (u, v, w - координаты точек в пространстве межатомных векторов) можно получить выражение:

из к-рого следует, что она определяется модулями структурных амплитуд, не зависит от их фаз и, следовательно, может быть вычислена непосредственно по данным дифракционного эксперимента. Трудность интерпретации функции Р(и, v, w) состоит в необходимости нахождения координат N атомов из N² её максимумов, многие из к-рых сливаются из-за перекрытий, возникающих при построении функции межатомных векторов. Наиболее прост для расшифровки Р(u, v, w) случай, когда в структуре содержится один тяжёлый атом и неск. лёгких. Изображение такой структуры в тяжёлом атоме будет значительно отличаться от др. её изображений. Среди различных методик, позволяющих определить модель исследуемой структуры по функции Патерсона, наиболее эффективными оказались т. н. суперпозиционные методы, к-рые позволили формализовать её анализ и выполнять его на ЭВМ. Методы функции Патерсона сталкиваются с серьёзными трудностями при исследовании структур кристаллов, состоящих из одинаковых или близких по атомному номеру атомов. В этом случае более эффективными оказались т. н. прямые методы определения фаз структурных амплитуд. Учитывая тот факт, что значение электронной плотности в кристалле всегда положительно (или равно нулю), можно получить большое число неравенств, к-рым подчиняются коэффициенты Фурье (структурные амплитуды) функции р(x, у, z). Методами неравенств можно сравнительно просто анализировать структуры, содержащие до 20-40 атомов в элементарной ячейке кристалла. Для более сложных структур применяются методы, основанные на вероятностном подходе к проблеме: структурные амплитуды и их фазы рассматриваются как случайные величины; из физ. представлений выводятся функции распределения этих случайных величин, к-рые дают возможность оценить с учётом экспериментальных значений модулей структурных амплитуд наиболее вероятные значения фаз. Эти методы также реализованы на ЭВМ и позволяют расшифровать структуры, содержащие 100-200 и более атомов в элементарной ячейке кристалла.

Рис. 8. Схема построения функции Патерсона для структуры, состоящей из 3 атомов.

Итак, если фазы структурных амплитуд установлены, то по (2) может быть вычислено распределение электронной плотности в кристалле, максимумы этого распределения соответствуют положению атомов в структуре (рис. 9). Заключит, уточнение координат атомов проводится на ЭВМ наименьших квадратов методом и в зависимости от качества эксперимента и сложности структуры позволяет получить их с точностью до тысячных долей А (с помощью совр. дифракционного эксперимента можно вычислять также количеств, характеристики тепловых колебаний атомов в кристалле с учётом анизотропии этих колебаний). Р. с. а. даёт возможность установить и более тонкие характеристики атомных структур, напр., распределение валентных электронов в кристалле. Однако эта сложная задача решена пока только для простейших структур. Весьма перспективно для этой цели сочетание нейтронографич. и рентгенографич. исследований: нейтронографич. данные о координатах ядер атомов сопоставляют с распределением в пространстве электронного облака, полученным с помощью Р. с. а. Для решения многих физ. и хим. задач совместно используют рентгеноструктурные исследования и резонансные методы. 

Рис. 9. а. Проекция на плоскость аb функции межатомных векторов минерала баотита [Ba₄Ti₄ (Ti, Nb)₄ [Si₄O₁₂] O₁₆C1], Линии проведены через одинаковые интервалы значений функции межатомных векторов (линии равного уровня). 6. Проекция электронной плотности баотита на плоскость ab, полученная расшифровкой функции межатомных векторов (а) Максимумы электронной плотности (сгущения линий равного уровня) отвечают положениям атомов в структуре, в. Изображение модели атомной структуры баотита. Каждый атом Si расположен внутри тетраэдра, образованного четырьмя атомами О; атомы Ti и Nb - в октаэдрах, составленных атомами О. Тетраэдры SiO₄ и октаэдры Ti (Nb) O₆ в структуре баотита соединены, как показано на рисунке. Часть элементарной ячейки кристалла, соответствующая рис. a и б, выделена штриховой линией. Точечные линии на рис. а и б определяют нулевые уровни значений соответствующих функций.

Вершина достижений Р. с. а.- расшифровка трёхмерной структуры белков, нуклеиновых кислот и др. макромолекул. Белки в естественных условиях, как правило, кристаллов не образуют. Чтобы добиться регулярного расположения белковых молекул, белки кристаллизуют и затем исследуют их структуру. Фазы структурных амплитуд белковых кристаллов можно определить только в результате совместных усилий рентгенографов и биохимиков. Для решения этой проблемы необходимо получить и исследовать кристаллы самого белка, а также его производных с включением тяжёлых атомов, причём координаты атомов во всех этих структурах должны совпадать.

О многочисл. применениях методов Р. с. а. для исследования различных нарушений структуры твёрдых тел под влиянием всевозможных воздействий см. в ст. Рентгенография материалов.

Лит.: Белов Н. В., Структурная кристаллография, М., 1951; Ж д а н о в Г. С., Основы рентгеноструктурного анализа, М.- Л., 1940; Джеймс Р., Оптические принципы дифракций рентгеновских лучей, пер._: с англ., М., 1950; Бокий Г. Б., Порай-Кошиц М. А., Рентгеноструктурный анализ, М., 1964; Порай-Кошиц М. А., Практический курс рентгеноструктурного анализа, М., 1960; Китайгородский А. И., Теория структурного анализа, М., 1957; Липсон Г., Кокрен В., Определение структуры кристаллов, пер. с англ., М., 1961; Вайнштейн Б. К., Структурная электронография, М., 1956; Бэкон Д ж., Дифракция нейтронов, пер. с англ., М., 1957; Б ю р г е р М., Структура кристаллов и векторное пространство, пер. с англ., М., 1961; Г и н ь е А., Рентгенография кристаллов, пер. с франц., М., 1961; W о о 1 f s о n M.M., An introduction to X-ray crystallography, Camb., 1970; Ramachandran G. N.., Srinivasan R., Fourier methode in crystallography, N. Y., 1970; Crystallographic computing, ed. F. R. Ahmed, Cph., 1970; Stout G. H., JensenL. H., X-ray structure determination, N. Y,-L., [1968].

В. Н. Симонов.

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, то же, что рентгеновские лучи.

РЕНТГЕНОГРАММА, зарегистрированное на светочувствит. материале (фотоплёнке, фотопластинке) изображение объекта, возникающее в результате взаимодействия рентгеновских лучей с веществом. При освещении объекта рентгеновскими лучами может происходить поглощение, отражение или дифракция рентгеновских лучей. Пространственное распределение их интенсивности после взаимодействия и фиксируется на Р.

Р., дающие "теневое" изображение объекта, получаются вследствие неодинакового поглощения рентгеновских лучей разными участками исследуемого объекта (абсорбционные Р.) и используются для исследования биологических объектов (в частности, в медицине; см. Рентгенография), для обнаружения различных дефектов в материалах и конструкциях (см. Дефектоскопия), для выяснения неоднородностей состава неорганических материалов (проекционная рентгеновская микроскопия).

Дифракционные Р., получающиеся в результате дифракционного рассеяния рентгеновских лучей кристаллич. образцами, используются для решения задач рентгеновского структурного анализа. В зависимости от типа исследуемого вещества (поли- или монокристаллы), характера используемого рентгеновского излучения (непрерывного спектра или монохроматическое), а также от геометрич. условий съёмки дифракционные Р. носят различные названия: дебаеграммы, лауэграммы, Р. вращения (качания) - дифракционные картины, зарегистрированные при вращении или качании кристалла во время съёмки; вейссенбергограммы, кфорограммы - Р., получаемые при синхронном вращении монокристалла и перемещении фотоплёнки; косселеграммы, получаемые в широкорасходящемся пучке монохроматич. рентгеновского излучения; рентгеновские топограммы (см. Рентгеновская топография).

Р. малоуглового рассеяния, образующиеся вблизи первичного рентгеновского пучка, возникают при дифракции рентгеновских лучей в кристаллических телах с большим периодом решётки, а также в результате диффузного рассеяния на микронеоднородностях исследуемого вещества.

Р., фиксирующие распределение интенсивности рентгеновского излучения, испытавшего полное внешнее отражение от поверхности исследуемого тела, используются в рентгеновской рефлектометрии для оценки физ. и геометрич. параметров поверхностных слоев и тонких плёнок.

Съёмка Р. осуществляется в рентгеновских камерах на различные светочувствит. материалы, выбор к-рых зависит от целей исследования. Чаще всего Р. не требуют дальнейшего оптич. увеличения, н поэтому их съёмка производится на рентгеновскую или поляройдную плёнку с невысоким разрешением. Дифракционные и абсорбционные микрорентгенограммы и рентгеновские топограммы, нуждающиеся в последующем оптическом увеличении, снимают на мелкозернистые фотоплёнки или пластинки, имеющие высокое разрешение.

Лит.: Дмоховский В. В., Основы рентгенотехники, М., 1960; Трапезников А. К., Рентгено-дефектоскопия, М., 1948; Г и н ь е А., Рентгенография кристаллов. Теория и практика, пер. с франц., М., 1961; Т е й л о р А., Рентгеновская металлография, пер. с англ., М., 1965; У м а н с к и й Я. С., Рентгенография металлов, М., 1967; Ровинский Б. М., Синайский В. М., Сиденко В. И., Рентгеновская рефлектометрия, "Аппаратура и методы рентгеновского анализа", 1970, в. 7.

Е. П. Костюкова.

РЕНТГЕНОГРАФИЯ в медицине, рентгеносъёмка, скиаграфия, рентгенологич. исследование, при к-ром рентгеновское изображение объекта (рентгенограмму) получают на фотоплёнке; один из осн. методов рентгенодиагностики. Рентгеновскую съёмку любого органа производят не менее чем в двух взаимно перпендикулярных проекциях. Технич. условия съёмки определяются с помощью таблиц или автоматически задаются в ходе Р. спец. приборами, входящими в комплект рентгеновской установки. На рентгенограммах выявляется больше деталей изображения, чем при рентгеноскопии. Лучевая нагрузка при Р. меньше. Полученный снимок - документ, к-рый хранится в леч. учреждении и служит для сопоставления с последующими рентгенограммами.

РЕНТГЕНОГРАФИЯ МАТЕРИАЛОВ, область исследований, занимающаяся решением разнообразных задач материаловедения на основе рентгеновских дифракционных методов. В Р. м. исследуют как равновесные, так и неравновесные состояния материалов; изучают их кристаллическую структуру, фазовый состав и его изменения, строят фазовые диаграммы, исследуют состояние деформированных (или подвергнутых к.-л. др. воздействиям) материалов, процессы упорядочения и явления ближнего порядка в них.

В Р. м. используют дифракцию моно- или полихроматич. рентгеновского излучения в рентгеновских камерах, получая рентгенограммы моно- или поликристал-лич. образцов, или регистрируют распределение рассеянного рентгеновского излучения в рентгеновских дифрактометрах (см. Рентгеновский структурный анализ).

Определение числа, размеров и раз-ориентировки кристаллитов. Размеры кристаллитов поликристаллич. материала, существенно влияющие на его механич. свойства, определяют методами Р. м. Средний объём V достаточно крупных (~0,5-5мкм) кристаллитов находят по их числу N в исследуемом образце: V = Q/N, где Q - объём образца. Число N кристаллитов, участвующих в отражении рентгеновских лучей, определяется числом п точечных рефлексов, составляющих дебаевское кольцо рентгенограммы (см. Дебая - Шеррера метод): N = 2п/а cos 0, где а - постоянная величина (параметр аппаратуры), 0 - брэгговский угол.

Рентгенографич. методы позволяют определять углы разориентировки и размеры блоков мозаики - областей с правильным строением, повёрнутых одна относительно другой (разориентированных) на очень малые углы. Измельчение блоков мозаики сопровождается упрочнением материалов, характеристики мозаичности связаны с плотностью дислокаций. О размерах блоков мозаики ~0,05-0,1 мкм судят по размытию (уширению) дебаевских колец (рис. 1).

Рис. 1, Профили линий дебаеграммы: а - узкие (неуширенные) сплошные отражения от кристаллитов размерами ~0,5 мкм; б ~ уширенные отражения от блоков мозаики размерами 0,1 - 0,2 мкм. b - полуширина размытой линии.

Если уширение обусловлено только мо-заичностью, то усреднённые значения размеров блоков: D = Л/b cos 0, где 3 - полуширина размытой линии, Л - длина волны использованного излучения. Средний угол разориентировки блоков 8 определяют по эффектам двойного вульф-брэгтовского рассеяния в малоугловой области (при е = 2 0 =< 0,5°), когда первично отражённый луч отражается ещё раз от подходящим образом ориентированного блока в направлении исходного пучка (рис. 2). В окрестности первичного луча появляется дополнительное диффузное рассеяние, интенсивность к-рого I(е) определяет б: I(е) = Ae^-1ехр{-Ве²/б²}, где А и В - постоянные величины.

Определение остаточных напряжений. Вследствие пластич. деформаций, фазовых превращений, облучения частицами высоких энергий, неравномерного нагрева и охлаждения и т. д. в материалах могут возникать остаточные напряжения. Макронапряжения приводят к короблению, растрескиванию, межкристал-литной коррозии, а иногда обусловливают анизотропию механич. и магнитных свойств материала или повышают его усталостную прочность (напр., при наличии сжимающих напряжений). Рент-генографич. определение макронапряжений в простейшем случае сводится к измерению смещения дебаевской линии дельта 0. В простейшем случае при нормальных напряжениях а смещение дельта 0 связано с а выражением: а = Ectg0*дельта 0/n, где Е - Юнга модуль, n - Пуассона коэффициент.  

Рис. 2. Схема двойного вульф-брэгговского рассеяния (II) от блочного полнкристалла в область малых углов e от первячного пучка I.

Микронапряжения, как и измельчение блоков мозаики, приводят к уширению дебаевских линий. Если уширение обусловлено только микронапряжениями, то средняя их величина (для кристаллов кубич. сингонии): дельта а/а = b/4 tg 0. Для разделения эффектов, вызываемых микронапряжениями и блоками мозаики, применяют спец. методику, основанную на гармоническом анализе.

Фазовый анализ. Р. м. позволяет производить качеств, и количеств, фазовый анализ гетерогенных смесей. Каждая фаза данного вещества даёт на рентгенограмме характерное отражение. В определении составляющих смесь фаз по их отражениям и состоит качеств, фазовый анализ. Количеств, фазовый анализ проводят на рентгеновском дифрактометре: сопоставляя интенсивности отражений фазы и эталона, находящихся в смеси, можно определить концентрацию данной фазы в поликристалле.

Фазовые превращения. Р. м. применяют для исследования изменений в пересыщенном твёрдом растворе, обусловленных его распадом (старением) и, следовательно, возникновением новых фаз и (или) исчезновением старых. Температурно-временная зависимость изменения концентрации фаз даёт возможность изучать кинетику процессов и научно выбирать, напр., режимы термообработок, определять энергию активации процесса и т. д. Распад твёрдых растворов сопровождается изменением их физ. и механич. свойств. Особенно значительно меняются свойства, когда кристаллич. решётка вновь образующейся фазы совпадает с исходной решёткой твёрдого раствора и между ними нет чёткой границы раздела; в таком случае говорят, что распад протекает когерентно - образуются, напр., зоны Гинье-Престона (рис. 3). Если возникает чёткая граница раздела, то говорят о некогерентных выделениях фаз. Рентгенограммы твёрдых растворов при когерентном и некогерентном распадах существенно отличаются, что позволяет получать важные данные о ходе кристаллоструктурных процессов. Определение типа твёрдого раствора и границы растворимости. Для установления типа твёрдого раствора в Р. м. определяют количество п атомов в элементарной ячейке раствора, используя рентгенографич. данные о её объёме Q и значении плотности раствора р: п = Qp/A*1,66*10^-24, где А - средневзвешенный атомный вес. Если п окажется равным числу атомов в элементарной ячейке растворителя n_о, то раствор построен по типу замещения; если п>n_о - имеем раствор внедрения, при п<n_о - раствор вычитания.

Для установления границы растворимости в твёрдом состоянии в Р. м. анализируют изменения периодов кристаллич. решётки при повышении концентрации раствора. Концентрация, при к-рой период решётки (для 2 компонентных растворов) перестаёт меняться при дальнейшем изменении состава, определяет предельную растворимость для данной темп-ры. По найденным значениям предельной растворимости для различных темп-р строят границу растворимости. Рентгенографическое исследование расплавленных и аморфных веществ. Аморфные вещества и расплавы дают диффузное рассеяние рентгеновских лучей (см. рис. 6 в ст. Рентгеновский структурный анализ), но на рентгенограммах всё же можно выделить немногочисленные и очень размытые интерференционные максимумы. Анализ дифракционных картин (рис. 4, a) позволяет разобраться в структуре жидкостей и аморфных тел; при этом определяется функция атомного распределения р (т), т. е. усреднённое по объёму Q число атомов N в 1 см³ на расстоянии r от центрального атома: р (г) = (dN/dQ)_r (рис. 4, б). Диффузный фон несёт также информацию об электронной структуре сплава.  

Рис. 3. Диффузное рассеяние состаренного монокристалла Ni - Be. Дополнительное диффузное рассеяние вокруг отражений твёрдого раствора вызвано распадом пересыщенного твёрдого раствора с образованием мелкодисперсной новой фазы, имеющей ту же кристаллич. решётку, что и раствор, но отличающуюся по составу и удельному объёму (разные периоды решётки). Для каждого отражения приведены индексы интерференции, отличающиеся от миллеровских индексов порядком отражения.

Рис. 4. Дебаеграмма (а) аморфного твёрдого тела (или жидкости, расплава) и график (б) изменения распределения р(r) атомной плотности Hg с расстоянием r от центра неупорядоченного скопления. Появление нескольких первых размытых максимумов интенсивности I(S) (где S=sin 0/Л.) вызвано неупорядоченным скоплением атомов (ионов).

Исследование ближнего и дальнего порядка. В твёрдых растворах атомы компонентов распределены, как правило, не хаотично, а с нек-рой корреляцией (см. Дальний порядок и ближний порядок). Когда корреляция существует только в ближайших координационных сферах, возникает или ближнее упорядочение (напр., в сплавах Fe-Si и Fe-Al), либо ближнее расслоение (Сr-Мо и Si-Ge). Рентгенографически это можно обнаружить по появлению дополнительного диффузного фона. С помощью Р. м. установлено, что при понижении темп-ры в твёрдых растворах с ближним расслоением обычно происходит распад на 2 твёрдых раствора (напр., Al-Zn), а в растворах с ближним упорядочением при этом возникает дальний порядок (напр., в Fe₃Al). В последнем случае корреляция между упорядоченными атомами наблюдается в объёме всего образца, что сопровождается появлением на рентгенограмме слабых дополнительных сверхструктурных линий (рис. 5), по интенсивности к-рых можно судить о степени развития дальнего порядка.  

Рис. 5. Дебаеграмма сплава Fe - Al. При упорядоченном расположении атомов разного сорта, кроме обычных отражений 110, 200, 211, 220, 310, присущих твёрдому раствору с объёмноцентрированной кубической решёткой, появляются более слабые дополнительные сверхструктурные отражения 100, 111, 210, 300, 221. Нарушение порядка приводит к ослаблению интенсивности сверхструктурных линий.

Рентгенографическое исследование тепловых колебаний. Для исследования используют рентгенографич. методику измерения диффузного рассеяния рентгеновских лучей, вызванного тепловыми колебаниями, на монокристаллах. Эти измерения позволяют получить дисперсионные кривые v=f(k) (где v - частота, a k - волновой вектор упругих волн в кристалле) по различным направлениям в кристалле. Знание дисперсионных кривых даёт возможность определить упругие константы кристалла, вычислить константы межатомного взаимодействия и рассчитать фононный спектр кристалла.

Об изучении рентгеновскими методами распределения дефектов в достаточно крупных и почти совершенных монокристаллах см. в ст. Рентгеновская топография.

Исследование радиационных повреждений. Р. м. позволяет установить изменения структуры кристаллич. тел под действием проникающей радиации (напр., изменение периодов решётки, возникновение диффузных максимумов и т. д.), а также исследовать структуру радиоактивных веществ.

Лит.: Уманский Я. С., Рентгенография металлов и полупроводников, М., 1969; его же, Рентгенография металлов, М., 1967; Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей, М., 1972; Хачатурян А. Г., Теория фазовых превращений и структура твердых растворов, М., 1974; Кривоглаз М. А., Применение рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов для исследования несовершенств в кристаллах, К., 1974: Конобеевский С. Т., Действие облучения на материалы, М., 1967: Кривоглаз М. А., Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов реальными кристаллами, М., 1967; У м а н с к и й Я. С., Чириков Н. В., Диффузия и образование фаз, М., 1974; W а r r е n В. Е., X-ray diffraction, N.'Y., 1969; S с h u 1 z e G. R., Metallphysik, В., 1974.

Я. С. Уманский, Н. В, Чириков.