Як утворюються рентгенівські промені. Рентгенівське випромінювання і його застосування в медицині. Застосування рентгенівських променів

У вивченні і практичному використанні атомних явищ одну з найважливіших ролей відіграють рентгенівські промені. Завдяки їхнім дослідженням було зроблено безліч відкриттів і розроблені методи аналізу речовини, що застосовуються в самих різних областях. Тут ми розглянемо один з видів рентгенівських променів - характеристичне рентгенівське випромінювання.

Природа і властивості рентгенівських променів

рентгенівське випромінювання - це високочастотне зміну стану електромагнітного поля, що поширюється в просторі зі швидкістю близько 300 000 км / с, тобто електромагнітні хвилі. На шкалі діапазону електромагнітного випромінювання рентген розташовується в області довжин хвиль від приблизно 10 -8 до 5 ∙ 10 -12 метрів, що на кілька порядків коротше оптичних хвиль. Це відповідає частотам від 3 ∙ 10 16 до 6 ∙ 10 19 Гц і енергій від 10 еВ до 250 кеВ, або 1,6 ∙ 10 -18 до 4 ∙ 10 -14 Дж. Слід зазначити, що межі частотних діапазонів електромагнітного випромінювання досить умовні внаслідок їх перекриття.

Є взаємодія прискорених заряджених частинок (електронів високих енергій) з електричними і магнітними полями і з атомами речовини.

Фотонам рентгенівських променів властиві високі енергії і велика проникаюча і іонізуюча здатність, особливо для жорсткого рентгена з довжинами хвиль менше 1 нанометра (10 -9 м).

Рентгенівські промені взаємодіють з речовиною, іонізуючи його атоми, в процесах фотоефекту (фотопоглинання) і некогерентного (комптонівського) розсіювання. При фотопоглинання рентгенівський фотон, поглинаючись електроном атома, передає йому енергію. Якщо її величина перевищує енергію зв'язку електрона в атомі, то він залишає атом. Комптонівське розсіювання характерно для більш жорстких (енергійних) рентгенівських фотонів. Частина енергії, що поглинається фотона витрачається на іонізацію; при цьому під деяким кутом до напрямку первинного фотона випромінюється вторинний, з меншою частотою.

Види рентгенівського випромінювання. гальмівне випромінювання

Для отримання променів використовують представляють собою скляні вакуумні балони з розташованими всередині електродами. Різниця потенціалів на електродах потрібна дуже висока - до сотень кіловольт. На вольфрамовому катоді, яке підігрівається струмом, відбувається термоелектронна емісія, тобто з нього випускаються електрони, які, прискорюючись різницею потенціалів, бомбардують анод. В результаті їх взаємодії з атомами анода (іноді його називають електрод) народжуються фотони рентгенівського діапазону.

Залежно від того, який процес призводить до народження фотона, розрізняють такі види рентгенівського випромінювання, як гальмівне і характеристичне.

Електрони можуть, зустрічаючись з анодом, гальмуватися, тобто втрачати енергію в електричних полях його атомів. Ця енергія випромінюється в формі рентгенівських фотонів. Таке випромінювання називається гальмівним.

Зрозуміло, що умови гальмування будуть відрізнятися для окремих електронів. Це означає, що в рентгенівське випромінювання перетворюються різні кількості їх кінетичної енергії. В результаті гальмівне випромінювання включає фотони різних частот і, відповідно, довжин хвиль. Тому спектр його є суцільним (безперервним). Іноді з цієї причини його ще називають «білим» рентгенівським випромінюванням.

Енергія гальмівного фотона не може перевищувати кінетичну енергію породжує його електрона, так що максимальна частота (і найменша довжина хвилі) гальмівного випромінювання відповідає найбільшому значенню кінетичної енергії налітають на анод електронів. Остання ж залежить від прикладеної до електродів різниці потенціалів.

Існує ще один тип рентгенівського випромінювання, джерелом якого є інший процес. Це випромінювання називають характеристичним, і ми зупинимося на ньому докладніше.

Як виникає характеристичне рентгенівське випромінювання

Досягнувши антикатода, швидкий електрон може проникнути всередину атома і вибити будь-якої електрон з однією з нижніх орбіталей, тобто передати йому енергію, достатню для подолання потенційного бар'єру. Однак при наявності в атомі більш високих енергетичних рівнів, зайнятих електронами, що звільнилося місце порожнім не залишиться.

Необхідно пам'ятати, що електронна структура атома, як і будь-яка енергетична система, прагне мінімізувати енергію. Новоутворена в результаті вибивання вакансія заповнюється електроном з одного з верхніх рівнів. Його енергія вище, і, займаючи більш низький рівень, він випромінює надлишок в формі кванта характеристичного рентгенівського випромінювання.

Електронна структура атома - це дискретний набір можливих енергетичних станів електронів. Тому рентгенівські фотони, що випромінюються в процесі заміщення електронних вакансій, також можуть мати тільки строго певні значення енергії, що відображають різницю рівнів. Внаслідок цього характеристичне рентгенівське випромінювання має спектром не суцільний, а лінійного виду. Такий спектр дозволяє характеризувати речовина анода - звідси і назва цих променів. Саме завдяки спектральним відмінностей ясно, що розуміють під гальмівним і характеристичним рентгенівським випромінюванням.

Іноді надлишок енергії не випромінюється атомом, а витрачається на вибивання третього електрона. Цей процес - так званий ефект Оже - з більшою ймовірністю відбувається, коли енергія зв'язку електрона не перевищує 1 кеВ. Енергія звільняється оже-електрона залежить від структури енергетичних рівнів атома, тому спектри таких електронів також носять дискретний характер.

Загальний вигляд характеристичного спектра

Вузькі характеристичні лінії присутні в рентгенівської спектральної картині разом із суцільним гальмівним спектром. Якщо уявити спектр у вигляді графіка залежності інтенсивності від довжини хвилі (частоти), в місцях розташування ліній ми побачимо різкі піки. Їх позиція залежить від матеріалу анода. Ці максимуми присутні при будь різниці потенціалів - якщо є рентгенівські промені, піки теж завжди є. При підвищенні напруги на електродах трубки інтенсивність і суцільного, і характеристичного рентгенівського випромінювання наростає, але розташування піків і співвідношення їх інтенсивностей не змінюється.

Піки в рентгенівських спектрах мають однаковий вигляд незалежно від матеріалу, що опромінюється електронами антикатода, але у різних матеріалів розташовуються на різних частотах, об'єднуючись в серії по близькості значень частоти. Між самими серіями відмінність по частотах набагато значніше. Вид максимумів ніяк не залежить від того, чи представляє матеріал анода чистий хімічний елемент або ж це складна речовина. В останньому випадку характеристичні спектри рентгенівського випромінювання складових його елементів просто накладаються один на одного.

З підвищенням порядкового номера хімічного елемента все лінії його рентгенівського спектра зміщуються в бік підвищення частоти. Спектр при цьому зберігає свій вигляд.

закон Мозлі

Явище спектрального зсуву характеристичних ліній було експериментально виявлено англійським фізиком Генрі Мозлі в 1913 році. Це дозволило йому зв'язати частоти максимумів спектра з порядковими номерами хімічних елементів. Таким чином, і довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання, як з'ясувалося, можна чітко співвіднести з певним елементом. У загальному вигляді закон Мозлі можна записати в такий спосіб: √f \u003d (Z - S n) / n√R, де f - частота, Z - порядковий номер елемента, S n - постійна екранування, n - головне квантове число і R - постійна Ридберга. Ця залежність має лінійний характер і на діаграмі Мозлі виглядає як ряд прямих ліній для кожного значення n.

Значення n відповідають окремим серіям піків характеристичного рентгенівського випромінювання. Закон Мозлі дозволяє по вимірюваним значенням довжин хвиль (вони однозначно пов'язані з частотами) максимумів рентгенівського спектра встановлювати порядковий номер хімічного елемента, що опромінюється жорсткими електронами.

Структура електронних оболонок хімічних елементів ідентична. На це вказує монотонність сдвигового зміни характеристичного спектра рентгенівського випромінювання. Частотний зсув відображає не структурні, а енергетичні відмінності між електронними оболонками, унікальні для кожного елемента.

Роль закону Мозлі в атомній фізиці

Існують невеликі відхилення від суворої лінійної залежності, яка виражається законом Мозлі. Вони пов'язані, по-перше, з особливостями порядку заповнення електронних оболонок у деяких елементів, і, по-друге, з релятивістськими ефектами руху електронів важких атомів. Крім того, при зміні кількості нейтронів в ядрі (так званому ізотопічному зсуві) положення ліній може злегка змінюватися. Цей ефект дав можливість детально вивчити атомну структуру.

Значення закону Мозлі надзвичайно велике. Послідовне застосування його до елементів періодичної системи Менделєєва встановило закономірність збільшення порядкового номера відповідно до кожного невеликого зсуву характеристичних максимумів. Це сприяло прояснити це питання про фізичному сенсі порядкового номера елементів. Величина Z - це не просто номер: це позитивний електричний заряд ядра, що представляє собою суму одиничних позитивних зарядів частинок, що входять до його складу. Правильність розміщення елементів в таблиці і наявність в ній порожніх позицій (тоді вони ще існували) отримали потужне підтвердження. Була доведена справедливість періодичного закону.

Закон Мозлі, крім цього, став основою, на якій виникло цілий напрям експериментальних досліджень - рентгенівська спектрометрія.

Будова електронних оболонок атома

Коротенько згадаємо, як влаштована електронна Вона складається з оболонок, що позначаються буквами K, L, M, N, O, P, Q або цифрами від 1 до 7. Електрони в межах оболонки характеризуються однаковим головним квантовим числом n, що визначає можливі значення енергії. У зовнішніх оболонках енергія електронів вище, а потенціал іонізації для зовнішніх електронів відповідно нижче.

Оболонка включає один або кілька підрівнів: s, p, d, f, g, h, i. У кожній оболонці кількість підрівнів збільшується на один в порівнянні з попередньою. Кількість електронів в кожному підрівні і в кожної оболонці не може перевищувати певного значення. Вони характеризуються, крім головного квантового числа, однаковим значенням орбітального визначає форму електронної хмари. Підрівні позначаються із зазначенням оболонки, якою вони належать, наприклад, 2s, 4d і так далі.

Підрівень містить які задаються, крім головного і орбітального, ще одним квантовим числом - магнітним, визначальним проекцію орбітального моменту електрона на напрямок магнітного поля. Одна орбиталь може мати не більше двох електронів, що розрізняються значенням четвертого квантового числа - спінового.

Розглянемо докладніше, як виникає характеристичне рентгенівське випромінювання. Так як походження цього типу електромагнітної емісії пов'язано з явищами, що відбуваються всередині атома, найзручніше описувати його саме в наближенні електронних конфігурацій.

Механізм генерації характеристичного рентгенівського випромінювання

Отже, причиною виникнення даного випромінювання є утворення електронних вакансій у внутрішніх оболонках, обумовлене проникненням високоенергічних електронів глибоко всередину атома. Імовірність того, що жорсткий електрон вступить у взаємодію, зростає зі збільшенням щільності електронних хмар. Отже, найбільш вірогідним буде зіткнення в межах щільно упакованих внутрішніх оболонок, наприклад, найнижчій К-оболонки. Тут атом іонізується, і в оболонці 1s утворюється вакансія.

Ця вакансія заповнюється електроном з оболонки з більшою енергією, надлишок якої несеться рентгенівським фотоном. Цей електрон може «впасти» з другої оболонки L, з третьої М і так далі. Так формується характеристична серія, в даному прикладі - К-серія. Вказівка \u200b\u200bна те, звідки походить заповнив вакансію електрон, дається у вигляді грецького індексу при позначенні серії. «Альфа» означає, що він походить з L-оболонки, «бета» - з М-оболонки. В даний час існує тенденція до заміни грецьких буквених індексів латинськими, прийнятими для позначення оболонок.

Інтенсивність альфа-лінії в серії завжди найвища - це значить, що ймовірність заповнення вакансії з сусідньої оболонки найвища.

Тепер ми можемо відповісти на питання, яка максимальна енергія кванта характеристичного рентгенівського випромінювання. Вона визначається різницею значень енергії рівнів, між якими відбувається перехід електрона, за формулою E \u003d E n 2 - E n 1, де E n 2 і E n 1 - енергії електронних станів, між якими відбувся перехід. Найвище значення цього параметра дають переходи К-серії з максимально високих рівнів атомів важких елементів. Але інтенсивність цих ліній (висота піків) найменша, оскільки вони найменш вірогідні.

Якщо через недостатність напруги на електродах жорсткий електрон не може досягти К-рівня, він утворює вакансію на L-рівні, і формується менш енергійна L-серія з великими довжинами хвиль. Аналогічним чином народжуються наступні серії.

Крім того, при заповненні вакансії в результаті електронного переходу виникає нова вакансія в вищерозміщеної оболонці. Це створює умови для генерування наступної серії. Електронні вакансії переміщаються вище з рівня на рівень, і атом випускає каскад характеристичних спектральних серій, залишаючись при цьому іонізованим.

Тонка структура характеристичних спектрів

Атомним рентген-спектрами характеристичного рентгенівського випромінювання властива тонка структура, що виражається, як і в оптичних спектрах, в розщепленні ліній.

Тонка структура пов'язана з тим, що енергетичний рівень - електронна оболонка - являє собою набір тісно розташованих компонентів - подоболочек. Для характеристики подоболочек введено ще одне, внутрішнє квантове число j, що відображає взаємодію власного і орбітального магнітних моментів електрона.

У зв'язку з впливом спін-орбітальної взаємодії енергетична структура атома ускладнюється, і в результаті характеристичне рентгенівське випромінювання має спектр, якому властиві розщеплені лінії з дуже близько розташованими елементами.

Елементи тонкої структури прийнято позначати додатковими цифровими індексами.

Характеристичне рентгенівське випромінювання має особливість, відображеної тільки в тонкій структурі спектра. Перехід електрона на нижчий енергетичний рівень не відбувається з нижньої подоболочки вищого рівня. Така подія має дуже малу ймовірність.

Використання рентгена в спектрометрії

Це випромінювання завдяки своїм особливостям, описаним законом Мозлі, лежить в основі різних рентгеноспектральних методів аналізу речовин. При аналізі рентгенівського спектра застосовують або дифракцію випромінювання на кристалах (волнодісперсіонний метод), або чутливі до енергії поглинених рентгенівських фотонів детектори (енергодисперсійний метод). Більшість електронних мікроскопів оснащені тими чи іншими рентгеноспектрометріческімі приставками.

Особливо високою точністю відрізняється волнодісперсіонная спектрометрія. За допомогою спеціальних фільтрів виділяються найбільш інтенсивні піки в спектрі, завдяки чому можна отримати практично монохроматичне випромінювання з точно відомою частотою. Матеріал анода вибирається дуже ретельно, щоб забезпечити отримання монохроматичного пучка потрібної частоти. Його дифракція на кристалічній решітці досліджуваного речовини дозволяє досліджувати структуру решітки з великою точністю. Цей метод застосовується також у вивченні ДНК і інших складних молекул.

Одна з особливостей характеристичного рентгенівського випромінювання враховується і в гамма-спектрометрії. Це висока інтенсивність характеристичних піків. У гамма-спектрометрах застосовується свинцева захист від зовнішніх фонових випромінювань, що вносять перешкоди в вимірювання. Але свинець, поглинаючи гамма-кванти, відчуває внутрішню іонізацію, в результаті чого активно випромінює в рентгенівському діапазоні. Для поглинання інтенсивних максимумів характеристичного рентгенівського випромінювання свинцю використовується додаткова кадмієва екранування. Вона, в свою чергу, іонізується і також випромінює в рентгені. Для нейтралізації характеристичних піків кадмію застосовують третій екранує шар - мідний, рентгенівські максимуми якого лежать поза робочого діапазону частот гамма-спектрометра.

Спектрометрія використовує і гальмівне, і характеристичне рентгенівське випромінювання. Так, при аналізі речовин досліджуються спектри поглинання суцільного рентгена різними речовинами.

Вченої з Німеччини Вільгельма Конрада Рентгена по праву можна вважати основоположником рентгенографії і першовідкривачем ключових особливостей рентгенівських променів.

Тоді в далекому 1895 році він навіть не підозрював про широту застосування і популярності, відкритих їм Х-випромінювань, хоча вже тоді вони підняли широкий резонанс у світі науки.

Навряд чи винахідник міг здогадуватися, яку користь або шкоду принесе плід його діяльності. Але ми з вами сьогодні спробуємо з'ясувати, який вплив виявляє цей різновид випромінювання на людське тіло.

• Х-випромінювання наділене величезною проникаючою здатністю, але вона залежить від довжини хвилі і щільності матеріалу, який опромінюється;
• під впливом випромінювання деякі предмети починають світитися;
• рентгенівський промінь впливає на живих істот;
• завдяки Х-променів починають протікати деяких біохімічні реакції;
• рентгена промінь може забирати у деяких атомів електрони і тим самим іонізувати їх.

Навіть самого винахідника в першу чергу хвилювало питання про те, що конкретно з себе представляють відкриті їм промені.

Після проведення цілої серії експериментальних досліджень, вчений з'ясував, що Х-промені - це проміжні хвилі між ультрафіолетом і гамма-випромінюванням, довжина яких становить 10 -8 см.

Властивості рентгенівського променя, які перераховані вище, мають руйнівними властивостями, проте це не заважає застосовувати їх з корисними цілями.

Так де ж в сучасному світі можна використовувати Х-промені?

1. З їх допомогою можна вивчати властивості багатьох молекул і кристалічних утворень.
2. Для дефектоскопії, тобто перевіряти промислові деталі і прилади на предмет дефектів.
3. У медичній галузі і терапевтичних дослідженнях.

В силу малих довжин всього діапазону даних хвиль і їх унікальних властивостей, стало можливим найважливіше застосування випромінювання, відкритого Вільгельмом Рентгеном.

Оскільки тема нашої статті обмежена впливом Х-променів на організм людини, яка стикається з ними лише при поході в лікарню, то далі ми будемо розглядати виключно цю галузь застосування.

Вчений, який винайшов рентгенівські промені, зробив їх безцінним даром для всього населення Землі, оскільки не став патентувати своє дітище для подальшого використання.

Починаючи з часів Першої морової війни портативні установки для рентгена врятували сотні життів поранених. Сьогодні рентгенівські промені мають два основних спектра застосування:

1. Діагностика з його допомогою.

Рентгенологічна діагностика застосовується при різних варіантах:

• рентгеноскопія або просвічування;
• рентгенографія або знімок;
• флюорографічне дослідження;
• томографірованія за допомогою рентгена.

Тепер потрібно розібратися, чим ці методи відрізняються один від одного:

1. Перший метод передбачає, що обстежуваний розташовується між спеціальним екраном з флуоресцентним властивістю і рентгенівською трубкою. Доктор на основі індивідуальних особливостей підбирає необхідну силу променів і отримує зображення кісток і внутрішніх органів на екрані.
2. При другому методі пацієнта кладуть на спеціальну рентгенівську плівку в касеті. При цьому апаратура розміщується над людиною. Дана методика дозволяє отримати зображення в негативі, але з більш дрібними деталями, ніж при рентгеноскопії.
3. Масові обстеження населення на предмет захворювання легенів дозволяє провести флюорографія. У момент процедури з великого монітора зображення переноситися на спеціальну плівку.
4. Томографія дозволяє отримати зображення внутрішніх органів в декількох варіантах розтину. Проводитися ціла серія знімків, які в подальшому називаються томограмою.
5. Якщо до попереднього методу підключити допомогу комп'ютера, то спеціалізовані програми створять цілісне зображення, зроблене за допомогою рентгенівського сканера.

Всі ці методики діагностики проблем зі здоров'ям грунтуються на унікальній властивості Х-променів засвічувати фотоплівку. При цьому проникаюча здатність у відсталих і інших тканин нашого тіла різна, що відображається на знімку.

Після того, як було виявлено ще одну властивість променів рентгена впливати на тканини з біологічної точки зору, дана особливість стала активно застосовуватися при терапії пухлин.

Клітини, особливо злоякісні, діляться дуже швидко, а іонізуюче властивість випромінювання позитивно позначається при лікувальної терапії та уповільнює ріст пухлини.

Але іншою стороною медалі є негативний вплив рентгена на клітини кровотворної, ендокринної та імунної системи, які також швидко діляться. В результаті негативного впливу Х-промені проявляється променева хвороба.

Вплив рентгена на людський організм

Буквально відразу після такого гучного відкриття в науковому світі, стало відомо, що промені Рентгена можуть впливати на тіло людини:

1. В ході досліджень властивостей Х-променів з'ясувалося, що вони здатні викликати опіки на шкірному покриві. Дуже схожі на термічні. Однак глибина поразки була куди більше, ніж побутові травми, а гоїлися вони гірше. Багато вчені, які займаються цими підступними випромінюваннями втрачали пальці на руках.
2. Методом проб і помилок було встановлено, що якщо зменшити час і лозу облечения, то опіків можна уникнути. Пізніше стали застосовуватися свинцеві екрани і дистанційний метод опромінення пацієнтів.
3. Довгострокова перспектива шкідливості променів показує, що зміни складу крові після опромінення призводить до лейкемії і раннього старіння.
4. Ступінь тяжкості впливу рентгенівських променів на організм людини прямо залежить від опромінюється органу. Так, при рентгенографії малого таза може наступити безплідність, а при діагностиці кровотворних органів - хвороби крові.
5. Навіть самі незначні опромінення, але протягом довгого часу, можуть привести до змін на генетичному рівні.

Звичайно, все дослідження проводилися на тваринах, однак вченими доведено, що патологічні зміни будуть поширюватися і на людину.

ВАЖЛИВО! На основі отриманих даних були розроблені стандарти рентгенівського опромінення, які єдині на весь світ.

Дози рентгенівських променів при діагностиці

Напевно, кожен, хто виходить з кабінету доктора після проведеного рентгена, задається питанням про те, як ця процедура вплине на подальше здоров'я?

Радіаційної опромінення в природі також існує і з ним ми стикаємося щодня. Щоб було простіше зрозуміти, як рентген впливає на наш організм, ми порівняємо цю процедуру з одержуваних природним опроміненням:

• при рентгенографії грудної клітини людина отримує дозу радіації, що прирівнюється до 10 дням фонового опромінення, а шлунка або кишечника - 3 років;
• томограма на комп'ютері черевної порожнини або всього тіла - еквівалент 3 років опромінення;
• обстеження на рентгені грудей - 3 місяці;
• кінцівки опромінюється, практично не приносячи шкодячи здоров'ю;
• стоматологічний рентген в силу точної спрямованості променевого пучка і мінімального часу впливу - також не є небезпечним.

ВАЖЛИВО! Незважаючи на те, що наведені дані, як би лякаюче вони не звучали, відповідають міжнародним вимогам. Однак пацієнт має повне право попросити додаткові засоби захисту в разі сильного побоювання за своє самопочуття.

Всі ми стикаємося з рентгенівським обстеженням, причому неодноразово. Однак одна категорія людей поза покладених процедур - це вагітні жінки.

Справа в тому, що Х-промені надзвичайно позначаються здоров'я майбутньої дитини. Ці хвилі здатні викликати пороки внутрішньоутробного розвитку в результаті впливу на хромосоми.

ВАЖЛИВО! Найбільш небезпечним періодом для проведення рентгена є вагітність до 16 тижня. У цей період найбільш вразливими є тазовий, черевна і хребетна область малюка.

Знаючи про такий негативний властивості рентгена, доктора всього світу намагаються уникати призначення його проведення у вагітних.

Але існують і інші джерела випромінювання, з якими може зіткнутися вагітна жінка:

• мікроскопи, що працюють на електриці;
• монітори кольорових телевізорів.

Ті, хто готуватися стати мамою обов'язково повинні знаю про що чатує їх небезпека. В період лактації рентгенівські промені не несуть загрози для організму годуючої і малюка.

Як бути після рентгена?

Навіть самі незначні наслідки рентгенівського опромінення можна звести до мінімуму, якщо виконати кілька простих рекомендацій:

• відразу після процедури випити молока. Як відомо, воно здатне виводити радіацію;
• такими ж властивостями володіє біле сухе вино або сік винограду;
• бажано в перший час їсти більше продуктів, що містять йод.

ВАЖЛИВО! Не варто вдаватися до жодних медичних процедур або використовувати лікувальні методи після відвідування рентген-кабінету.

Якими б негативними властивостями не володіли, колись відкриті Х-промені, все одно користь від їх застосування значно перевищує наноситься шкода. У медичних установах процедура просвічування проводитися швидко і з мінімальними дозами.

Випускаються за участю електронів, на відміну від гамма-випромінювання, яке є ядерним. Штучно рентгенівське випромінювання створюється шляхом сильного прискорення заряджених частинок і шляхом переходу електронів з одного енергетичного рівня на інший з вивільненням великої кількості енергії. Пристрої, на яких можна отримати - це рентгенівські трубки та прискорювачі заряджених частинок. Природними джерелами його є радіоактивно нестабільні атоми і космічні об'єкти.

Історія відкриття

Воно було зроблено в листопаді 1895 року Рентгеном - німецьким вченим, який виявив ефект флуоресценції платино-ціаністого барію під час роботи катодолучевой трубки. Він описав характеристики цих променів досить докладно, включаючи здатність проникати крізь живі тканини. Вони були названі вченим ікс-променями (X-rays), назва "рентгенівські" прижилося в Росії пізніше.

Чим характеризується цей вид випромінювання

Логічно, що особливості даного випромінювання обумовлені його природою. Електромагнітна хвиля - ось що таке рентгенівське випромінювання. Властивості його наступні:

Рентгенівське випромінювання - шкода

Зрозуміло, в момент відкриття і довгі роки після того ніхто не уявляв собі, наскільки вона небезпечна.

Де застосовуються ікс-промені

1. Медицина. Рентгенодіагностика - "просвічування" живих організмів. Рентгенотерапія - вплив на пухлинні клітини.
2. Наука. Кристалографія, хімія і біохімія використовують їх для виявлення будови речовини.
3. Промисловість. Виявлення дефектів металевих деталей.
4. Безпека. Рентгенівське обладнання застосовують для виявлення небезпечних предметів у багажі в аеропортах та інших місцях.

Рентгенівським випромінюванням називають електромагнітні хвилі з довжиною приблизно від 80 до 10 -5 нм. Найбільш довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим ультрафіолетовим, короткохвильове - довгохвильовим γ-випромінюванням. За способом збудження рентгенівське випромінювання поділяють на гальмівне і характеристичне.

31.1. ПРИСТРІЙ РЕНТГЕНІВСЬКОЇ ТРУБКИ. ГАЛЬМОВЕ рентгенівського випромінювання

Найбільш поширеним джерелом рентгенівського випромінювання є рентгенівська трубка, яка представляє собою двох-електродний Ваккумний прилад (рис. 31.1). підігрівний катод 1 випускає електрони 4. Анод 2, званий часто електрод, має похилу поверхню, для того щоб направити виникає рентгенівське випромінювання 3 під кутом до осі трубки. Анод виготовлений з добре теплопрово-дящего матеріалу для відводу теплоти, що утворюється при ударі електронів. Поверхня анода виконана з тугоплавких матеріалів, що мають великий порядковий номер атома в таблиці Менделєєва, наприклад з вольфраму. В окремих випадках анод спеціально охолоджують водою або маслом.

Для діагностичних трубок важлива точечность джерела рентгенівських променів, чого можна досягти, фокусуючи електрони в одному місці антикатода. Тому конструктивно доводиться враховувати дві протилежні завдання: з одного боку, електрони повинні потрапляти на одне місце анода, з іншого боку, щоб не допустити перегріву, бажано розподіл електронів по різних дільницях анода. В якості одного з цікавих технічних рішень є рентгенівська трубка з обертовим анодом (рис. 31.2).

В результаті гальмування електрона (або інший зарядженої частинки) електростатичним полем атомного ядра і атомарних електронів речовини антикатода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Механізм його можна пояснити наступним чином. З рухомим електричним зарядом пов'язано магнітне поле, індукція якого залежить від швидкості електрона. При гальмуванні зменшується магнітна

індукція і відповідно до теорії Максвелла з'являється електромагнітна хвиля.

При гальмуванні електронів лише частина енергії йде на створення фотона рентгенівського випромінювання, інша частина витрачається на нагрівання анода. Так як співвідношення між цими частинами випадково, то при гальмуванні великої кількості електронів утворюється безперервний спектр рентгенівського випромінювання. У зв'язку з цим гальмівне випромінювання називають ще суцільним. На рис. 31.3 представлені залежності потоку рентгенівського випромінювання від довжини хвилі λ (спектри) при різних напружених в рентгенівській трубці: U 1< U 2 < U 3 .

У кожному з спектрів найбільш короткохвильове гальмівне випромінювання λ ηίη виникає тоді, коли енергія, придбана електроном в ускоряющем поле, повністю переходить в енергію фотона:

Зауважимо, що на основі (31.2) розроблений один з найбільш точних способів експериментального визначення постійної Планка.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання зазвичай має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове, і називається жорстким,а довгохвильове - м'яким.

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, змінюють спектральний склад випромінювання, як це видно з рис. 31.3 і формули (31.3), і збільшують жорсткість.

Якщо збільшити температуру розжарення катода, то зростуть емісія електронів і сила струму в трубці. Це призведе до збільшення числа фотонів рентгенівського випромінювання, що випускаються кожну секунду. Спектральний склад його не зміниться. На рис. 31.4 показані спектри гальмівного рентгенівського випромінювання при одному напрузі, але при різній силі струму розжарення катода: / Н1< / н2 .

Потік рентгенівського випромінювання обчислюється за формулою:

де Uі I -напруга і сила струму в рентгенівській трубці; Z- порядковий номер атома речовини анода; k- коефіцієнт пропорційності. Спектри, отримані від різних електрод при однакових Uі I H, зображені на рис. 31.5.

31.2. Характеристичне рентгенівське випромінювання. АТОМНІ РЕНТГЕНІВСЬКІ СПЕКТРИ

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна помітити на тлі суцільного спектра поява лінійного, який відповідає

характеристическому рентгенівського випромінювання(Рис. 31.6). Він виникає внаслідок того, що прискорені електрони проникають в глиб атома і з внутрішніх шарів вибивають електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів (рис. 31.7), в результаті висвічуються фотони характеристичного випромінювання. Як видно з малюнка, характеристичне рентгенівське випромінювання складається з серій K, L, Мі т.д., найменування яких і послужило для позначення електронних шарів. Так як при випромінюванні K-серії звільняються місця в більш високих шарах, то одночасно випускаються і лінії інших серій.

На відміну від оптичних спектрів характеристичні рентгенівські спектри різних атомів однотипні. На рис. 31.8 показані спектри різних елементів. Однотипність цих спектрів обумовлена \u200b\u200bтим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, так як силовий вплив з боку ядра збільшується в міру зростання порядкового номера елемента. Ця обставина призводить до того, що характеристичні спектри зсуваються в бік високих частот зі збільшенням заряду ядра. Така закономірність видна з рис. 31.8 і відома як закон Мозлі:

де v - частота спектральної лінії; Z- атомний номер випускає елемента; А і В - постійні.

Є ще одна різниця між оптичними та рентгенівськими спектрами.

Характеристичний рентгенівський спектр атома не залежить від хімічної сполуки, в яке цей атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для О, O 2 і Н 2 О, в той час як оптичні спектри цих сполук істотно різні. Ця особливість рентгенівського спектра атома послужила підставою для назви характеристичне.

Характеристичне випромінювання виникає завжди при наявності вільного місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причини, яка його викликала. Так, наприклад, характеристичне випромінювання супроводжує один з видів радіоактивного розпаду (див. 32.1), який полягає в захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.

31.3. ВЗАЄМОДІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ

Реєстрація та використання рентгенівського випромінювання, а також вплив його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів і молекул речовини.

Залежно від співвідношення енергії hvфотона і енергії иони-зації 1 А і мають місце три головних процесу.

Когерентне (класичне) розсіювання

Розсіювання довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається в основному без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним.Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації: hv< А та.

Так як в цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання і атома не змінюється, то когерентне розсіювання саме по собі не викликає біологічної дії. Однак при створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напрямку первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення для рентгеноструктурного аналізу (див. 24.7).

Некогерентного розсіяння (ефект Комптона)

У 1922 р А.Х. Комптон, спостерігаючи розсіювання жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка в порівнянні з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більше, ніж падаючого. Розсіювання рентгенівського випромінювання зі зміною довжини хвилі називають некогерентенвим, а саме явище - ефектом Комптона.Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації: hv\u003e А і.

Це явище обумовлене тим, що при взаємодії з атомом енергія hvфотона витрачається на освіту нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією hv ",на відрив електрона від атома (енергія іонізації А і) і повідомлення електрону кінетичної енергії Е до:

hv \u003d hv "+ А і + Е к.(31.6)

1 Тут під енергією іонізації розуміють енергію, необхідну для видалення внутрішніх електронів за межі атома або молекули.

Так як у багатьох випадках hv\u003e\u003e А і і ефект Комптона відбувається на вільних електронах, то можна записати наближено:

hv \u003d hv "+ E K.(31.7)

Істотно, що в цьому явищі (рис. 31.9) поряд з вторинним рентгенівським випромінюванням (енергія hv"Фотона) з'являються електрони віддачі (кінетична енергія Е доелектрона). Атоми або молекули при цьому стають іонами.

фотоефект

При фотоефекті рентгенівське випромінювання поглинається атомом, в результаті чого вилітає електрон, а атом іонізується (фотоіонізації).

Три основні процеси взаємодії, розглянуті вище, є первинними, вони призводять до наступним вторинним, третинним і т.д. явищам. Так, наприклад, іонізовані атоми можуть випромінювати характеристичний спектр, збуджені атоми можуть стати джерелами видимого світла (Рентгенолюмінесценція) і т.п.

На рис. 31.10 наводиться схема можливих процесів, що виникають при попаданні рентгенівського випромінювання в речовину. Може відбуватися кілька десятків процесів, подібних зображеному, перш ніж енергія рентгенівського фотона перейде в енергію молекулярно-теплового руху. В результаті відбудуться зміни молекулярного складу речовини.

Процеси, представлені схемою рис. 31.10, лежать в основі явищ, які спостерігаються при дії рентгенівського випромінювання на речовину. Перерахуємо деякі з них.

Рентгенолюмінесценція- світіння ряду речовин при рентгенівському опроміненні. Таке світіння платіносінеродістим барію дозволило Рентгену відкрити промені. Це явище використовують для створення спеціальних світних екранів з метою візуального спостереження рентгенівського випромінювання, іноді для посилення дії рентгенівських променів на фотопластинку.

відомо хімічне дію рентгенівського випромінювання, наприклад утворення перекису водню в воді. практично важливий приклад - вплив на фотопластинку, що дозволяє фіксувати такі промені.

Іонізуючу дію проявляється у збільшенні електропровідності під впливом рентгенівських променів. Це властивість використовують

в дозиметрії для кількісної оцінки дії цього виду випромінювання.

В результаті багатьох процесів первинний пучок рентгенівського випромінювання послаблюється відповідно до закону (29.3). Запишемо його у вигляді:

I \u003d I 0 е-/ ", (31.8)

де μ - лінійний коефіцієнт ослаблення. Його можна уявити що складається з трьох доданків, відповідних когерентного розсіювання μ κ, некогерентного μ ΗΚ і фотоефекту μ ф:

μ \u003d Μ до + μ hk + μ ф. (31.9)

Інтенсивність рентгенівського випромінювання послаблюється пропорційно числу атомів речовини, через яке цей потік проходить. Якщо стиснути речовина уздовж осі X, наприклад, в b раз, збільшивши в b раз його щільність, то

31.4. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В МЕДИЦИНІ

Одне з найбільш важливих медичних застосувань рентгенівського випромінювання - просвічування внутрішніх органів з діагностичною метою (Рентгенодіагностика).

Для діагностики використовують фотони з енергією порядку 60-120 кеВ. При цій енергії масовий коефіцієнт ослаблення в основному визначається фотоефектом. Його значення обернено пропорційно третього ступеня енергії фотона (пропорційно λ 3), в чому проявляється велика проникаюча здатність жорсткого випромінювання, і пропорційно третього ступеня атомного номера речовини-поглинача:

Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє в тіньовий проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.

Рентгенодіагностику використовують в двох варіантах: рентгеноскопія - зображення розглядають на рентгенолюмінесцірующем екрані, рентгенографія - зображення фіксується на фотоплівці.

Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково послаблюють рентгенівське випромінювання, то застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок і кишечник кашоподібною масою сульфату барію, можна бачити їх тіньове зображення.

Яскравість зображення на екрані і час експозиції на фотоплівці залежать від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо його використовують для діагностики, то інтенсивність не може бути великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків. Тому є ряд технічних пристосувань, що поліпшують зображення при малих інтенсивностях рентгенівського випромінювання. Як приклад такого пристосування можна вказати електронно-оптичні перетворювачі (див. 27.8). При масовому обстеженні населення широко використовується варіант рентгенографії - флюорографія, при якій на чутливій малоформатної плівці фіксується зображення з великого рентгенолюмінесцірующего екрану. При зйомці використовують лінзу великий світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Цікавим і перспективним варіантом рентгенографії є \u200b\u200bметод, званий рентгенівської томографії, і його «машинний варіант» - комп'ютерна томографія.

Розглянемо це питання.

Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи і тканини затінюють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно (рис. 31.11) в протифазі переміщати рентгенівську трубку РТ і фотоплівку Фп щодо об'єкта про дослідження. У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружечками на малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1, 2 і т.д.) проходять че-

рез одну і ту ж точку об'єкта, що є центром, щодо якого здійснюється періодичне рух РТі Ф п.Ця точка, точніше невелике непрозоре включення, показана темним гуртком. Його тіньове зображення переміщається разом з Ф п,займаючи послідовно положення 1, 2 і т.д. Решта включення в тілі (кістки, ущільнення та ін.) Створюють на Фпдеякий загальний фон, так як рентгенівські промені не постійно затеняются ними. Змінюючи положення центру гойдання, можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла. Звідси і назва - томографія(Пошарова запис).

Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання, екран (замість Ф п),що складається з напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання (див. 32.5), і ЕОМ, обробити тіньовий рентгенівське зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна чи комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати пошарові зображення тіла на екрані електронно-променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм при розходженні поглинання рентгенівського випромінювання до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіра і біла речовина мозку і бачити дуже маленькі пухлинні утворення.

коротка характеристика рентгенівського випромінювання

Рентгенівське випромінювання являє собою електромагнітні хвилі (потік квантів, фотонів), енергія яких расположе- на на енергетичній шкалі між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням (рис. 2-1). Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 3 × 10 16 Гц до 6 № 10 19 Гц і довжиною хвилі 0,005-10 нм. Електромагнітні спектри рентгенівського випромінювання і гамма-випромінювання в значній мірі перекриваються між собою.

Мал. 2-1.Шкала електромагнітних випромінювань

Основною відмінністю цих двох видів випромінювання є спосіб їх виникнення. Рентгенівські промені виходять за участю електронів (наприклад, при гальмуванні їх потоку), а гамма-промені - при радіоактивному розпаді ядер деяких елементів.

Рентгенівські промені можуть генеруватися при гальмуванні прискореного потоку заряджених частинок (так зване гальмівне випромінювання) або ж при виникненні високоенергетичних переходів в електронних оболонках атомів (характеристичне випромінювання). У медичних приладах для генерації рентгенівських променів використовуються рентгенівські трубки (рис. 2-2). Їх основними компонентами є катод і масивний анод. Електрони, що випускаються внаслідок різниці електричних потенціалів між анодом і катодом, прискорюються, досягають анода, при зіткненні з матеріалом якого гальмуються. Внаслідок цього виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. Під час зіткнення електронів з анодом відбувається і другий процес - вибиваються електрони з електронних оболонок атомів анода. Їх місця займають електрони з інших оболонок атома. В ході цього процесу генерується другий тип рентгенівського випромінювання - так зване характеристичне рентгенівське випромінювання, спектр якого в значній мірі залежить від матеріалу анода. Аноди частіше нд його виготовляють з молібдену або вольфраму. Існують спеціальні пристрої для фокусування і фільтрації рентгенівського випромінювання з метою поліпшення одержуваних зображень.

Мал. 2-2.Схема пристрою рентгенівської трубки:

Властивостями рентгенівських променів, що зумовлюють їх використання в медицин е, є проникаюча здатність, флюоресцирующєє і фотохімічні дії. Проникаюча здатність рентгенівських променів і їх поглинання тканинами людського тіла і штучними матеріалами є найважливішими властивостями, які зумовлюють їх застосування в променевої діагностики. Чим коротше довжина хвилі, тим більшу проникаючу здатність має рентгенівське випромінювання.

Розрізняють''мягкое'' рентгенівське випромінювання з малою енергією і частотою випромінювання (відповідно з найбільшою довжиною хвилі) і''жесткое'', що володіє високою енергією фотонів і частотою випромінювання, що має коротку довжину хвилі. Довжина хвилі рентгенівського випромінювання (відповідно його''жесткость'' і проникаюча здатність) залежить від величини напруги, прикладеного до рентгенівської трубки. Чим вище напруга на трубці, тим більше швидкість і енергія потоку електронів і менше довжина хвилі у рентгенівських променів.

При взаємодії проникаючого через речовину рентгенівського випромінювання в ньому відбуваються якісні і кількісні зміни. Ступінь поглинання рентгенівських променів тканинами різна і визначається показниками щільності і атомної ваги елементів, що складають об'єкт. Чим вище щільність і атомний вага речовини, з якого складається досліджуваний об'єкт (орган), тим більше поглинаються рентгенівські промені. У людському тел е є тканини і органи різної щільності (легені, кістки, м'які тканини і т.д.), це пояснює різне поглинання рентгенівських променів. На штучного або природного різниці в поглинанні рентгенівських променів різними органами і тканинами і заснована візуалізація внутрішніх органів і структур.

Для реєстрації пройшов через тіло випромінювання використовується його здатність викликати флюоресценцію деяких з'єдн еній і надавати фотохімічні дію на плівку. З цією метою викорис зуются спеціальні екрани для рентгеноскопії і фотоплівки для рентгенографії. В сучасних рентгенівських апаратах для реєстрації ослабленого випромінювання застосовують спеціальні системи цифрових електронних детекторів - цифрові електронні панелі. В цьому випадку рентгенівські методи називають цифровими.

Через біологічної дії рентгенівських променів вкрай важливо вдаватися до захисту пацієнтів при дослідженні. це досягається

максимально коротким часом опромінення, заміною рентгеноскопії на рентгенографію, суворо обгрунтованим застосуванням іонізуючих методів, захистом за допомогою екранування пацієнта і персоналу від впливу випромінювання.

Коротка характеристика рентгенівського випромінювання - поняття і види. Класифікація та особливості категорії "Коротка характеристика рентгенівського випромінювання" 2017, 2018.