Коэффициент затухания массы

Свойства материалов

Массовые коэффициенты ослабления выбранных элементов для рентгеновских фотонов с энергией до 250 кэВ.

Коэффициент затухания массы или коэффициент затухания узкого пучка массы материала — это коэффициент затухания, нормализованный по плотности материала; то есть затухание на единицу массы (а не на единицу расстояния). Таким образом, он характеризует, насколько легко через массу материала может проникнуть луч света , звука , частиц или другой энергии или вещества . ^[1] Помимо видимого света, коэффициенты затухания массы могут быть определены для другого электромагнитного излучения (например, рентгеновских лучей ), звука или любого другого пучка, который может быть ослаблен. Единицей СИ коэффициента затухания массы является квадратный метр на килограмм ( м ² /кг ). Другие общие единицы включают см ² /г (наиболее распространенная единица для коэффициентов затухания массы рентгеновских лучей) и л⋅г ⁻¹ ⋅см ⁻¹ (иногда используется в химии растворов). Коэффициент поглощения массы — это старый термин для этой величины. ^[1]

Коэффициент затухания массы можно рассматривать как вариант сечения поглощения , где эффективная площадь определяется на единицу массы, а не на частицу.

Математические определения

Коэффициент затухания массы определяется как

${\displaystyle {\frac {\mu }{\rho _{m}}},}$

где

• μ — коэффициент затухания (линейный коэффициент затухания);
• ρ _m — плотность массы .

При использовании массового коэффициента затухания закон Бера-Ламберта записывается в альтернативной форме как

${\displaystyle I=I_{0}\,e^{-(\mu /\rho _{m})\lambda }}$

где

${\displaystyle \lambda =\rho _{m}\ell }$— это поверхностная плотность, также известная как толщина массы, и — это длина, на которой происходит затухание. ${\displaystyle \ell }$

Коэффициенты поглощения и рассеяния массы

Когда узкий ( коллимированный ) пучок проходит через объем, его интенсивность снижается из-за двух процессов: поглощения и рассеяния .

Коэффициент поглощения массы и коэффициент рассеяния массы определяются как

${\displaystyle {\frac {\mu _{\mathrm {a} }}{\rho _{m}}},\quad {\frac {\mu _{\mathrm {s} }}{\rho _{m}}},}$

где

• μ _a — коэффициент поглощения;
• μ _s — коэффициент рассеяния.

В решениях

В химии массовые коэффициенты затухания часто используются для химических веществ , растворенных в растворе . В этом случае массовый коэффициент затухания определяется тем же уравнением, за исключением того, что «плотность» — это плотность только одного химического вещества, а «затухание» — это затухание, вызванное только этим одним химическим веществом. Фактический коэффициент затухания вычисляется по формуле

${\displaystyle \mu =(\mu /\rho )_{1}\rho _{1}+(\mu /\rho )_{2}\rho _{2}+\ldots ,}$

где каждый член в сумме представляет собой массовый коэффициент затухания и плотность другого компонента раствора ( растворитель также должен быть включен). Это удобная концепция, поскольку массовый коэффициент затухания вида приблизительно не зависит от его концентрации (при условии выполнения определенных предположений ).

Тесно связанным понятием является молярная поглощательная способность . Они количественно связаны соотношением

(массовый коэффициент затухания) × ( молярная масса ) = (молярная поглощательная способность).

Рентгеновские лучи

Массовый коэффициент затухания железа с источниками затухания: когерентное рассеяние , некогерентное рассеяние , фотоэлектрическое поглощение и два типа парного образования . Разрыв значений фотоэлектрического поглощения обусловлен K-краем . Данные графика взяты из базы данных XCOM NIST .

Значения коэффициента затухания массы показаны для всех элементов с атомным номером Z меньше 100, собранных для фотонов с энергией от 1 кэВ до 20 МэВ. Разрывы в значениях обусловлены краями поглощения , которые также были показаны.

Таблицы коэффициентов ослабления массы фотонов необходимы в радиологической физике, радиографии (в медицинских и охранных целях), дозиметрии , дифракции , интерферометрии , кристаллографии и других разделах физики. Фотоны могут быть в форме рентгеновских лучей , гамма-лучей и тормозного излучения .

Значения коэффициентов затухания массы, основанные на собственных значениях поперечного сечения фотона , зависят от поглощения и рассеяния падающего излучения , вызванного несколькими различными механизмами, такими как

• Рэлеевское рассеяние (когерентное рассеяние);
• Комптоновское рассеяние (некогерентное рассеяние);
• фотоэлектрическое поглощение ;
• рождение пар , электрон-позитронное рождение в полях ядра и атомных электронов.

Фактические значения были тщательно проверены и доступны широкой публике через три базы данных, которыми управляет Национальный институт стандартов и технологий (NIST):

1. База данных XAAMDI; ^[2]
2. База данных XCOM; ^[3]
3. База данных FFAST. ^[4]

Расчет состава раствора

Если несколько известных химикатов растворены в одном растворе, концентрации каждого из них можно рассчитать с помощью анализа поглощения света. Во-первых, необходимо измерить или найти массовые коэффициенты затухания каждого отдельного растворенного вещества или растворителя, в идеале в широком спектре длин волн. Во-вторых, необходимо измерить коэффициент затухания фактического раствора. Наконец, используя формулу

${\displaystyle \mu =(\mu /\rho )_{1}\rho _{1}+(\mu /\rho )_{2}\rho _{2}+\ldots ,}$

спектр может быть подобран с использованием ρ ₁ , ρ ₂ , … в качестве регулируемых параметров, поскольку μ и каждое μ / ρ _i являются функциями длины волны. Если есть N растворенных веществ или растворителей, эта процедура требует по крайней мере N измеренных длин волн для создания решаемой системы одновременных уравнений , хотя использование большего количества длин волн дает более надежные данные.

Смотрите также

• Коэффициент поглощения
• Сечение поглощения
• Длина затухания
• Затухание
• Закон Бера-Ламберта
• Сканирование грузов
• край Комптона
• Комптоновское рассеяние
• Поперечное сечение
• Высокоэнергетическое рентгеновское излучение
• Средняя длина свободного пробега
• Молярный коэффициент затухания
• Постоянная распространения
• Длина излучения
• Теория рассеяния
• Пропускание

Ссылки

1. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Коэффициент затухания». doi :10.1351/goldbook.A00516
2. Хаббелл, Дж. Х .; Сельцер, С. М. «Таблицы массовых коэффициентов ослабления рентгеновского излучения и массовых коэффициентов поглощения энергии». Национальный институт стандартов и технологий (NIST) . Получено 2 ноября 2007 г.
3. MJBerger; JH Hubbell ; SM Seltzer; J. Chang; JS Coursey; R. Sukumar; DS Zucker. "XCOM: Photon Cross Sections Database". Национальный институт стандартов и технологий (NIST) . Получено 2 ноября 2007 г.
4. Chantler, CT; Olsen, K.; Dragoset, RA; Chang, J.; Kishore, AR; Kotochigova, SA ; Zucker, DS "Таблицы коэффициента формы рентгеновского излучения, ослабления и рассеяния (версия 2.1)". Национальный институт стандартов и технологий (NIST) . Получено 2 ноября 2007 г.