Свойства и приложения на рентгеновото лъчение. Характерни рентгенови лъчи

• Колкото по-високо е напрежението към полюсите на тръбата, толкова по-силна е потенциалната разлика върху тях, следователно, кинетичната енергия на движещите се електрони ще бъде по-висока. Напрежението върху тръбата определя скоростта на електроните и силата на сблъсъка им с анодния материал, следователно напрежението определя дължината на вълната на полученото рентгеново лъчение.

Класификация на рентгеновите тръби

1. По уговорка
1. Диагностична
2. Терапевтични
3. За структурен анализ
4. За трансилюминация
2. По дизайн
1. По фокус

• Единичен фокус (една спирала на катода и едно фокусно място на анода)
• Бифокални (две спирали с различни размери на катода и две фокални точки на анода)

1. По вид анод

• Неподвижно (фиксирано)
• Въртящ се

Рентгеновите лъчи се използват не само за лъчедиагностични цели, но и за терапевтични цели. Както беше отбелязано по-горе, способността на рентгеновото лъчение да потиска растежа на туморните клетки прави възможно използването му при лъчева терапия на онкологични заболявания. В допълнение към медицинската област на приложение, рентгеновото лъчение намери широко приложение в инженерната и техническата област, материалознанието, кристалографията, химията и биохимията: например е възможно да се идентифицират структурни дефекти в различни продукти (релси, заварки и др.) с помощта на рентгеново лъчение. Видът на такова изследване се нарича дефектоскопия. А на летища, гари и други многолюдни места, рентгеновите телевизионни интроскопи се използват активно за сканиране на ръчен багаж и багаж за целите на сигурността.

В зависимост от вида на анода, рентгеновите тръби се различават по дизайн. Поради факта, че 99% от кинетичната енергия на електроните се превръща в топлинна енергия, по време на работа на тръбата анодът се нагрява значително - чувствителната волфрамова мишена често изгаря. Анодът се охлажда в съвременните рентгенови тръби чрез въртенето му. Въртящият се анод има формата на диск, който разпределя топлината равномерно по цялата си повърхност, предотвратявайки локалното прегряване на волфрамовата цел.

Дизайнът на рентгеновите тръби също се различава във фокуса. Фокално петно ​​- участъкът от анода, върху който се генерира работният рентгенов лъч. Подразделя се на реално фокусно петно ​​и ефективно фокусно петно ​​( ориз. 12). Поради ъгъла на анода, ефективното фокусно петно ​​е по-малко от реалното. Използват се различни размери на фокусното петно ​​в зависимост от размера на зоната на изображението. Колкото по-голяма е площта на изображението, толкова по-широко трябва да бъде фокусното петно, за да покрие цялата област на изображението. Въпреки това, по-малко фокусно петно ​​осигурява по-добра яснота на изображението. Следователно, когато се произвеждат малки изображения, се използва къса нишка и електроните се насочват към малка площ от анодната цел, създавайки по-малко фокусно петно.

Ориз. 9 - рентгенова тръба със стационарен анод.
Ориз. 10 - Рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 11 - Уред за рентгенова тръба с въртящ се анод.
Ориз. 12 е диаграма на формирането на реално и ефективно фокусно петно.

Рентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на което и да е вещество, те бързо губят кинетичната си енергия. В този случай по-голямата част от него се превръща в топлина, а малка част, обикновено по-малко от 1%, се превръща в енергия на рентгенови лъчи. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но имат нулева маса на покой. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на дължината на вълната им. С конвенционалния метод за получаване на рентгенови лъчи се получава широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър. Спектърът съдържа ясно изразени компоненти, както е показано на фиг. един.

Ориз. един. КОНВЕНЦИОНАЛЕН РЕНГЕНОВ СПЕКТЪР се състои от непрекъснат спектър (континуум) и характерни линии (остри пикове). Линиите Kia и Kib възникват поради взаимодействията на ускорени електрони с електроните на вътрешната К-обвивка.

Широкият "континуум" се нарича непрекъснат спектър или бяло излъчване. Острите върхове, насложени върху него, се наричат ​​характерни рентгенови емисионни линии. Въпреки че целият спектър е резултат от сблъсъци на електрони с материя, механизмите за появата на широката му част и линии са различни. Веществото се състои от голям брой атоми, всеки от които има ядро, заобиколено от електронни обвивки, и всеки електрон в обвивката на атом на даден елемент заема определено дискретно енергийно ниво. Обикновено тези обвивки или енергийни нива се обозначават със символите K, L, M и т.н., започвайки от най-близката до ядрото обвивка. Когато падащ електрон с достатъчно висока енергия се сблъска с един от електроните, свързани с атома, той избива този електрон от неговата обвивка. Празното пространство е заето от друг електрон от черупката, което съответства на по-висока енергия. Последният отделя излишна енергия чрез излъчване на рентгенов фотон. Тъй като обвивните електрони имат дискретни енергийни стойности, получените рентгенови фотони също имат дискретен спектър. Това съответства на остри пикове за определени дължини на вълната, чиито специфични стойности зависят от целевия елемент. Характерните линии образуват K-, L- и M-серия, в зависимост от това от коя обвивка (K, L или M) е отстранен електронът. Връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и атомното число се нарича закон на Мозли (фиг. 2).

Ориз. 2. Дължината на вълната на ХАРАКТЕРИСТИЧНОТО РЕНГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ, излъчвано от химичните елементи, зависи от атомния номер на елемента. Кривата съответства на закона на Мозли: колкото по-голям е атомният номер на елемента, толкова по-къса е дължината на вълната на характеристичната линия.

Ако един електрон се сблъска с относително тежко ядро, тогава той се забавя и неговата кинетична енергия се освобождава под формата на рентгенов фотон с приблизително същата енергия. Ако прелети покрай ядрото, той ще загуби само част от енергията си, а останалата част ще бъде прехвърлена на други атоми, които попадат на пътя му. Всеки акт на загуба на енергия води до излъчване на фотон с известна енергия. Появява се непрекъснат рентгенов спектър, чиято горна граница съответства на енергията на най-бързия електрон. Това е механизмът за образуване на непрекъснат спектър, а максималната енергия (или минималната дължина на вълната), която фиксира границата на непрекъснатия спектър, е пропорционална на ускоряващото напрежение, което определя скоростта на падащите електрони. Спектралните линии характеризират материала на бомбардираната цел, докато непрекъснатият спектър се определя от енергията на електронния лъч и практически не зависи от материала на мишената.

Рентгеновите лъчи могат да бъдат получени не само чрез електронно бомбардиране, но и чрез облъчване на целта с рентгенови лъчи от друг източник. В този случай обаче по-голямата част от енергията на падащия лъч отива в характерния рентгенов спектър, а много малка част от нея попада в непрекъснатия спектър. Очевидно падащият рентгенов лъч трябва да съдържа фотони, чиято енергия е достатъчна, за да възбуди характерните линии на бомбардирания елемент. Високият процент енергия на характерен спектър прави този метод на рентгеново възбуждане удобен за научни изследвания.

Рентгенови тръби. За да се получи рентгеново лъчение, дължащо се на взаимодействието на електрони с материята, е необходимо да има източник на електрони, средства за ускоряването им до високи скорости и мишена, способна да издържи на бомбардиране с електрони и да произвежда рентгеново лъчение на необходимата интензивност. Устройството, което има всичко това, се нарича рентгенова тръба. Ранните изследователи са използвали "дълбоко вакуумни" тръби като днешните разрядни тръби. Вакуумът в тях не беше много голям.

Разрядните тръби съдържат малко количество газ и когато се приложи голяма потенциална разлика към електродите на тръбата, атомите на газа се превръщат в положителни и отрицателни йони. Положителните се движат към отрицателния електрод (катод) и, падайки върху него, избиват електрони от него, а те от своя страна се движат към положителния електрод (анод) и, бомбардирайки го, създават поток от рентгенови фотони .

В съвременната рентгенова тръба, разработена от Кулидж (фиг. 3), източникът на електрони е волфрамов катод, нагрят до висока температура. Електроните се ускоряват до високи скорости от високата потенциална разлика между анода (или антикатода) и катода. Тъй като електроните трябва да достигнат до анода, без да се сблъскват с атоми, е необходим много висок вакуум, за което тръбата трябва да бъде добре вакуумирана. Това също така намалява вероятността от йонизация на останалите газови атоми и получените странични токове.

Ориз. 3. РЕНТГЕНОВА ТЪРБА COOLIDGE. Когато е бомбардиран с електрони, волфрамовият антикатод излъчва характерни рентгенови лъчи. Напречното сечение на рентгеновия лъч е по-малко от действително облъчената площ. 1 - електронен лъч; 2 - катод с фокусиращ електрод; 3 - стъклена обвивка (тръба); 4 - волфрамова мишена (антикатод); 5 - катодна нишка; 6 - действително облъчена площ; 7 - ефективно фокусно място; 8 - меден анод; 9 - прозорец; 10 - разпръснати рентгенови лъчи.

Електроните са фокусирани върху анода чрез специално оформен електрод, обграждащ катода. Този електрод се нарича фокусиращ електрод и заедно с катода образува "електронния прожектор" на тръбата. Анодът, подложен на бомбардиране с електрони, трябва да бъде направен от огнеупорен материал, тъй като по-голямата част от кинетичната енергия на бомбардиращите електрони се превръща в топлина. Освен това е желателно анодът да бъде направен от материал с висок атомен номер, т.к добивът на рентгенови лъчи се увеличава с увеличаване на атомния номер. Най-често избираният аноден материал е волфрам, чийто атомен номер е 74.

Дизайнът на рентгеновите тръби може да варира в зависимост от приложението и изискванията.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

ГОУ ВПО СУСУ

Катедра по физична химия

в курса на KSE: “Рентгеново лъчение”

Завършено:

Наумова Дария Генадиевна

Проверено:

доцент, K.T.N.

Танклевская Н.М.

Челябинск 2010г

Въведение

Глава I. Откриване на рентгенови лъчи

Разписка

Взаимодействие с материята

Биологично въздействие

Регистрация

Приложение

Как се прави рентгенова снимка

естествени рентгенови лъчи

Глава II. Рентгенография

Приложение

Метод за получаване на изображение

Предимства на рентгенографията

Недостатъци на рентгенографията

Флуороскопия

Принцип на получаване

Предимства на флуороскопията

Недостатъци на флуороскопията

Цифрови технологии във флуороскопията

Метод на многоредово сканиране

Заключение

Списък на използваната литература

Въведение

Рентгеново лъчение - електромагнитни вълни, чиято енергия на фотоните се определя от енергийния диапазон от ултравиолетово до гама лъчение, което съответства на диапазона на дължината на вълната от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8 m).

Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи причиняват почерняване на фотографския филм. Това свойство е от голямо значение за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и след това попадайки върху филма, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата сила на рентгеновото лъчение е различна за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-ярки области на снимката от тези, през които излъчването прониква добре. По този начин костните тъкани са по-малко прозрачни за рентгенови лъчи, отколкото тъканите, които изграждат кожата и вътрешните органи. Следователно на рентгеновата снимка костите ще бъдат обозначени като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-прозрачно за радиация, може да бъде открито доста лесно. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в индустрията за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми.

Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Рентгенов лъч, преминаващ през химично съединение, предизвиква характерно вторично лъчение, чийто спектроскопски анализ позволява на химика да определи състава на съединението. При падане върху кристално вещество, рентгенов лъч се разсейва от атомите на кристала, давайки ясен, правилен модел на петна и ивици върху фотографска плоча, което дава възможност да се установи вътрешната структура на кристала.

Използването на рентгенови лъчи при лечението на рак се основава на факта, че убива раковите клетки. Въпреки това, той може да има нежелан ефект върху нормалните клетки. Ето защо трябва да се внимава с това използване на рентгенови лъчи.

Глава I. Откриване на рентгенови лъчи

Откриването на рентгеновите лъчи се приписва на Вилхелм Конрад Рентген. Той беше първият, който публикува статия за рентгеновите лъчи, която той нарече рентгенови лъчи (рентген). Статия на Рентген, озаглавена „За нов тип лъчи“, е публикувана на 28 декември 1895 г. в списанието на Вюрцбургското физико-медицинско дружество. Счита се обаче за доказано, че рентгеновите лъчи вече са били получени и преди. Електронно-лъчева тръба, която Рентген използва в своите експерименти, е разработена от J. Hittorf и W. Kruks. Тази тръба произвежда рентгенови лъчи. Това е показано в експериментите на Крукс и от 1892 г. в експериментите на Хайнрих Херц и неговия ученик Филип Ленард чрез почерняването на фотографските плочи. Никой от тях обаче не осъзнава значението на своето откритие и не публикува резултатите си. Също така Никола Тесла, започвайки през 1897 г., експериментира с електронно-лъчеви тръби, получава рентгенови лъчи, но не публикува резултатите си.

Поради тази причина Рентген не е знаел за откритията, направени преди него, и е открил лъчите, наречени по-късно на негово име, самостоятелно - докато наблюдава флуоресценцията, която се получава при работата на електронно-лъчева тръба. Рентген изучава рентгеновите лъчи малко повече от година (от 8 ноември 1895 г. до март 1897 г.) и публикува само три относително малки статии за тях, но те предоставят толкова изчерпателно описание на новите лъчи, че стотици статии от неговите последователи, след това публикуван в продължение на 12 години, не можеше нито да добави, нито да промени нещо съществено. Рентген, който беше загубил интерес към рентгеновите лъчи, каза на колегите си: „Вече написах всичко, не си губете времето“. За славата на Рентген също допринесе известната снимка на ръката на съпругата му, която той публикува в статията си (виж изображението вдясно). Такава слава донесе на Рентген през 1901 г. първата Нобелова награда за физика и Нобеловият комитет подчерта практическото значение на неговото откритие. През 1896 г. за първи път се използва името "рентгенови лъчи". В някои страни остава старото име - рентгенови лъчи. В Русия лъчите започват да се наричат ​​"рентгенови" по предложение на студент В.К. Рентген - Абрам Федорович Йофе.

Позиция в скалата на електромагнитните вълни

Енергийните диапазони на рентгеновите и гама-лъчите се припокриват в широк енергиен диапазон. И двата вида радиация са електромагнитно излъчване и са еквивалентни за една и съща енергия на фотоните. Терминологичната разлика е в начина на възникване - рентгеновите лъчи се излъчват с участието на електрони (или в атоми, или в свободни), докато гама-лъчението се излъчва в процесите на девъзбуждане на атомните ядра. Рентгеновите фотони имат енергия от 100 eV до 250 keV, което съответства на излъчване с честота от 3 1016 Hz до 6 1019 Hz и дължина на вълната 0,005 - 10 nm (няма общоприета дефиниция на долната граница на X -обхват на лъчите в скалата на дължината на вълната). Меките рентгенови лъчи се характеризират с най-ниската енергия на фотоните и честотата на излъчване (и най-дългата дължина на вълната), докато твърдите рентгенови лъчи имат най-високата енергия на фотоните и честотата на излъчване (и най-късата дължина на вълната).

(рентгенова снимка (рентгенограма) на ръката на съпругата му, направена от V.K. Roentgen)

Разписка

Рентгеновите лъчи се получават чрез силно ускорение на заредени частици (главно електрони) или чрез високоенергийни преходи в електронните обвивки на атоми или молекули. И двата ефекта се използват в рентгеновите тръби, при които електроните, излъчени от горещ катод, се ускоряват (не се излъчват рентгенови лъчи, тъй като ускорението е твърде ниско) и удрят анода, където рязко се забавят (рентгеновите лъчи са излъчени: т. нар. спирачно лъчение) и в същото време избиват електрони от вътрешните електронни обвивки на атомите на метала, от който е направен анодът. Празните места в черупките са заети от други електрони на атома. В този случай се излъчва рентгеново лъчение с определена енергийна характеристика на анодния материал (характерното излъчване, честотите се определят от закона на Мозли:

където Z е атомният номер на анодния елемент, A и B са константи за определена стойност на главното квантово число n на електронната обвивка). В момента анодите се изработват предимно от керамика, а частта, в която удрят електроните, е от молибден. В процеса на ускорение-забавяне само 1% от кинетичната енергия на електрона отива в рентгеновите лъчи, 99% от енергията се превръща в топлина.

Рентгеновите лъчи могат да бъдат получени и в ускорители на частици. т.нар. Синхротронното лъчение възниква, когато сноп от частици се отклонява в магнитно поле, в резултат на което те изпитват ускорение в посока, перпендикулярна на движението си. Синхротронното лъчение има непрекъснат спектър с горна граница. При подходящо избрани параметри (величина на магнитното поле и енергията на частиците) могат да се получат и рентгенови лъчи в спектъра на синхротронното лъчение.

Схематично изображение на рентгенова тръба. X - рентгенови лъчи, K - катод, A - анод (понякога наричан антикатод), C - радиатор, Uh - напрежение на катодната нишка, Ua - ускоряващо напрежение, Win - вход за водно охлаждане, Wout - изход за водно охлаждане (виж x- лъчева тръба).

Взаимодействие с материята

Показателят на пречупване на почти всяко вещество за рентгенови лъчи се различава малко от единица. Последица от това е фактът, че няма материал, от който да се направи рентгенова леща. Освен това, когато рентгеновите лъчи попадат перпендикулярно на повърхността, те почти не се отразяват. Въпреки това в рентгеновата оптика са открити методи за конструиране на оптични елементи за рентгенови лъчи.

Рентгеновите лъчи могат да проникнат в материята и различните вещества ги абсорбират по различен начин. Поглъщането на рентгенови лъчи е най-важното им свойство в рентгеновата фотография. Интензитетът на рентгеновите лъчи намалява експоненциално в зависимост от пътя, изминат в абсорбиращия слой (I = I0e-kd, където d е дебелината на слоя, коефициентът k е пропорционален на Z3λ3, Z е атомният номер на елемента, λ е дължината на вълната).

Абсорбцията възниква в резултат на фотоабсорбция и комптоново разсейване:

Фотоабсорбцията се разбира като процес на избиване на електрон от обвивката на атом от фотон, което изисква енергията на фотона да бъде по-голяма от определена минимална стойност. Ако разгледаме вероятността от акта на поглъщане в зависимост от енергията на фотона, тогава когато се достигне определена енергия, тя (вероятността) се увеличава рязко до максималната си стойност. За по-високи енергии вероятността непрекъснато намалява. Поради тази зависимост се казва, че има граница на усвояване. Мястото на избития при акта на поглъщане електрон се заема от друг електрон, докато се излъчва излъчване с по-ниска енергия на фотона, т.нар. флуоресцентен процес.

Рентгеновите лъчи играят една от най-важните роли в изучаването и практическото използване на атомните явления. Благодарение на техните изследвания са направени много открития и са разработени методи за анализ на вещества, които се използват в различни области. Тук ще разгледаме един от видовете рентгенови лъчи – характерни рентгенови лъчи.

Същност и свойства на рентгеновите лъчи

Рентгеновото лъчение е високочестотна промяна в състоянието на електромагнитно поле, разпространяващо се в пространството със скорост около 300 000 km / s, тоест електромагнитни вълни. В скалата на обхвата на електромагнитното излъчване, рентгеновите лъчи са разположени в диапазона на дължината на вълната от приблизително 10 -8 до 5∙10 -12 метра, което е с няколко порядъка по-късо от оптичните вълни. Това съответства на честоти от 3∙10 16 до 6∙10 19 Hz и енергии от 10 eV до 250 keV, или 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 J. Трябва да се отбележи, че границите на честотните диапазони на електромагнитните лъчения са доста конвенционални поради тяхното припокриване.

Това е взаимодействието на ускорени заредени частици (високоенергийни електрони) с електрически и магнитни полета и с атоми на материята.

Рентгеновите фотони се характеризират с високи енергии и висока проникваща и йонизираща способност, особено за твърди рентгенови лъчи с дължини на вълната по-малки от 1 нанометър (10 -9 m).

Рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, йонизирайки нейните атоми, в процесите на фотоелектричния ефект (фотоабсорбция) и некохерентното (Комптон) разсейване. При фотоабсорбцията рентгенов фотон, поглъщан от електрон на атом, предава енергия към него. Ако стойността му надвишава енергията на свързване на електрон в атом, тогава той напуска атома. Комптоновото разсейване е характерно за по-твърдите (енергийни) рентгенови фотони. Част от енергията на погълнатия фотон се изразходва за йонизация; в този случай под определен ъгъл спрямо посоката на първичния фотон се излъчва вторичен, с по-ниска честота.

Видове рентгеново лъчение. спирачно лъчение

За получаване на лъчи се използват стъклени вакуумни бутилки с електроди, разположени вътре. Потенциалната разлика между електродите трябва да бъде много висока - до стотици киловолта. Върху волфрамов катод, нагрят от ток, възниква термионна емисия, тоест от него се излъчват електрони, които, ускорени от потенциалната разлика, бомбардират анода. В резултат на взаимодействието им с атомите на анода (понякога наричан антикатод) се раждат рентгенови фотони.

В зависимост от това какъв процес води до раждането на фотон, има такива видове рентгеново лъчение като спирачно и характерно.

Електроните могат, срещайки се с анода, да забавят, тоест да загубят енергия в електрическите полета на своите атоми. Тази енергия се излъчва под формата на рентгенови фотони. Такова излъчване се нарича спирачно лъчение.

Ясно е, че условията на спиране ще се различават за отделните електрони. Това означава, че различни количества от тяхната кинетична енергия се превръщат в рентгенови лъчи. В резултат на това спирачното лъчение включва фотони с различни честоти и съответно дължини на вълните. Следователно неговият спектър е непрекъснат (непрекъснат). Понякога поради тази причина се нарича още "бели" рентгенови лъчи.

Енергията на спирачния фотон не може да надвишава кинетичната енергия на електрона, който го генерира, така че максималната честота (и най-малката дължина на вълната) на спирачното лъчение съответства на най-голямата стойност на кинетичната енергия на електроните, падащи върху анода. Последното зависи от потенциалната разлика, приложена към електродите.

Има друг вид рентгенови лъчи, които идват от различен процес. Това излъчване се нарича характеристично и ще се спрем на него по-подробно.

Как се произвеждат характерни рентгенови лъчи

Достигайки антикатода, бърз електрон може да проникне вътре в атома и да избие всеки електрон от една от по-ниските орбитали, тоест да прехвърли към него енергия, достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера. Ако обаче има по-високи енергийни нива, заети от електрони в атома, освободеното място няма да остане празно.

Трябва да се помни, че електронната структура на атома, като всяка енергийна система, се стреми да сведе до минимум енергията. Вакантното място, образувано в резултат на нокаута, се запълва с електрон от едно от по-високите нива. Неговата енергия е по-висока и, заемайки по-ниско ниво, излъчва излишък под формата на квант от характерно рентгеново лъчение.

Електронната структура на атома е дискретен набор от възможни енергийни състояния на електроните. Следователно рентгеновите фотони, излъчвани по време на заместването на електронните свободни места, също могат да имат само строго определени енергийни стойности, отразяващи разликата в нивата. В резултат на това характерното рентгеново лъчение има спектър не от непрекъснат, а от линеен тип. Такъв спектър дава възможност да се характеризира веществото на анода - оттук и името на тези лъчи. Именно поради спектралните разлики става ясно какво се има предвид под спирачно лъчение и характерни рентгенови лъчи.

Понякога излишната енергия не се излъчва от атома, а се изразходва за избиване на третия електрон. Този процес - така нареченият ефект на Оже - е по-вероятно да се случи, когато енергията на свързване на електрони не надвишава 1 keV. Енергията на освободения Оже електрон зависи от структурата на енергийните нива на атома, така че спектрите на такива електрони също са дискретни.

Общ изглед на характеристичния спектър

Тесни характерни линии присъстват в рентгеновия спектрален модел заедно с непрекъснат спектър на спирачно лъчение. Ако представим спектъра като графика на интензитета спрямо дължината на вълната (честотата), ще видим остри пикове на местата на линиите. Тяхното положение зависи от материала на анода. Тези максимуми присъстват при всяка потенциална разлика - ако има рентгенови лъчи, винаги има и пикове. С увеличаване на напрежението на електродите на тръбата, интензитетът както на непрекъснатото, така и на характерното рентгеново лъчение се увеличава, но местоположението на пиковете и съотношението на техните интензитети не се променя.

Пиковете в рентгеновите спектри имат една и съща форма независимо от материала на антикатода, облъчен от електрони, но за различните материали те са разположени на различни честоти, обединяващи се последователно според близостта на честотните стойности. Между самите серии разликата в честотите е много по-значителна. Формата на максимумите не зависи по никакъв начин от това дали анодният материал представлява чист химичен елемент или е сложно вещество. В последния случай характерните рентгенови спектри на съставните му елементи просто се наслагват един върху друг.

С увеличаване на атомния номер на химичен елемент всички линии на неговия рентгенов спектър се изместват към нарастваща честота. Спектърът запазва формата си.

Законът на Мозли

Феноменът на спектралното изместване на характерните линии е експериментално открит от английския физик Хенри Мозли през 1913 г. Това му позволява да свърже честотите на максимумите на спектъра с порядковите номера на химичните елементи. По този начин дължината на вълната на характерното рентгеново лъчение, както се оказа, може да бъде ясно свързана с конкретен елемент. Най-общо, законът на Мозли може да бъде записан по следния начин: √f = (Z - S n)/n√R, където f е честотата, Z е поредният номер на елемента, S n е екраниращата константа, n е главното квантово число, а R е константата на Ридберг. Тази връзка е линейна и се появява на диаграмата на Мозли като поредица от прави линии за всяка стойност на n.

Стойностите на n съответстват на отделни серии от характерни рентгенови пикове. Законът на Мозли позволява да се определи серийният номер на химически елемент, облъчен от твърди електрони, от измерените дължини на вълната (те са уникално свързани с честотите) на максимумите на рентгеновия спектър.

Структурата на електронните обвивки на химичните елементи е идентична. Това се посочва от монотонността на промяната на изместването в характерния спектър на рентгеновото лъчение. Изместването на честотата отразява не структурните, а енергийните разлики между електронните обвивки, уникални за всеки елемент.

Ролята на закона на Мозли в атомната физика

Има малки отклонения от строгата линейна връзка, изразена от закона на Мозли. Те са свързани, първо, с особеностите на реда на запълване на електронните обвивки в някои елементи и, второ, с релативистичните ефекти от движението на електроните в тежките атоми. Освен това, когато броят на неутроните в ядрото се промени (т.нар. изотопно изместване), позицията на линиите може леко да се промени. Този ефект направи възможно детайлното изследване на атомната структура.

Значението на закона на Мозли е изключително голямо. Неговото последователно приложение към елементите на периодичната система на Менделеев установи модела на увеличаване на поредния номер според всяко малко изместване на характерните максимуми. Това допринесе за изясняване на въпроса за физическото значение на редовния номер на елементите. Стойността на Z не е просто число: това е положителният електрически заряд на ядрото, който е сумата от единичните положителни заряди на частиците, които го съставят. Правилното разположение на елементите в таблицата и наличието на празни позиции в нея (тогава те все още съществуваха) получиха мощно потвърждение. Доказана е валидността на периодичния закон.

Законът на Мозли, освен това, стана основата, върху която възникна цяла област на експериментални изследвания - рентгенова спектрометрия.

Структурата на електронните обвивки на атома

Нека припомним накратко как е подреден електронът. Състои се от обвивки, обозначени с буквите K, L, M, N, O, P, Q или числа от 1 до 7. Електроните в обвивката се характеризират с една и съща основна квантово число n, което определя възможните стойности на енергията. Във външните обвивки енергията на електроните е по-висока и йонизационният потенциал за външните електрони съответно е по-нисък.

Обвивката включва едно или повече поднива: s, p, d, f, g, h, i. Във всяка обвивка броят на поднивата се увеличава с едно в сравнение с предишното. Броят на електроните във всяко подниво и във всяка обвивка не може да надвишава определена стойност. Те се характеризират, освен основното квантово число, със същата стойност на орбиталния електронен облак, който определя формата. Поднивата са обозначени с обвивката, към която принадлежат, като 2s, 4d и т.н.

Поднивото съдържа, които се задават освен основното и орбиталното, с още едно квантово число – магнитно, което определя проекцията на орбиталния импулс на електрона върху посоката на магнитното поле. Една орбитала може да има не повече от два електрона, различаващи се по стойността на четвъртото квантово число - спин.

Нека разгледаме по-подробно как възниква характерното рентгеново лъчение. Тъй като произходът на този тип електромагнитно излъчване е свързан с явления, възникващи вътре в атома, най-удобно е да се опише точно в приближението на електронните конфигурации.

Механизмът на генериране на характерни рентгенови лъчи

И така, причината за това излъчване е образуването на електронни свободни места във вътрешните обвивки, поради проникването на високоенергийни електрони дълбоко в атома. Вероятността твърд електрон да взаимодейства нараства с плътността на електронните облаци. Следователно сблъсъците най-вероятно са в плътно опаковани вътрешни черупки, като най-ниската K черупка. Тук атомът се йонизира и в обвивката 1s се образува празно място.

Това празно място се запълва от електрон от обвивката с по-висока енергия, чийто излишък се отнася от рентгеновия фотон. Този електрон може да "падне" от втората обвивка L, от третата обвивка M и т.н. Така се формира характерната серия, в този пример K-серията. Индикация за това откъде идва електронът, запълващ свободното място, се дава под формата на гръцки индекс при обозначаване на серията. "Алфа" означава, че идва от L-черупката, "бета" - от M-черупката. В момента има тенденция гръцките буквени индекси да се заменят с латински, приети за обозначаване на черупки.

Интензитетът на алфа линията в серията винаги е най-висок, което означава, че вероятността за запълване на свободно място от съседна обвивка е най-висока.

Сега можем да отговорим на въпроса каква е максималната енергия на характерния рентгенов квант. Определя се от разликата в енергийните стойности на нивата, между които се осъществява преходът на електрон, съгласно формулата E = E n 2 - E n 1, където E n 2 и E n 1 са енергиите на електронни състояния, между които е настъпил преходът. Най-високата стойност на този параметър се дава от K-серията преходи от възможно най-високите нива на атоми на тежки елементи. Но интензитетът на тези линии (върхови височини) е най-малък, тъй като те са най-малко вероятни.

Ако поради недостатъчно напрежение на електродите, твърд електрон не може да достигне K-нивото, той образува празно място на L-ниво и се образува по-малко енергична L-серия с по-дълги дължини на вълната. Следващите сериали се раждат по подобен начин.

Освен това, когато се запълни свободно място, в горната обвивка се появява ново вакантно място в резултат на електронен преход. Това създава условия за генериране на следващата серия. Електронните свободни места се движат по-високо от ниво на ниво и атомът излъчва каскада от характерни спектрални серии, като същевременно остава йонизиран.

Фина структура на характеристичните спектри

Атомните рентгенови спектри на характерното рентгеново лъчение се характеризират с фина структура, която се изразява, както в оптичните спектри, в разделяне на линии.

Фината структура се дължи на факта, че енергийното ниво - електронната обвивка - е набор от близко разположени компоненти - подобвивки. За характеризиране на подобвивките се въвежда още едно вътрешно квантово число j, което отразява взаимодействието на вътрешните и орбиталните магнитни моменти на електрона.

Във връзка с влиянието на спин-орбиталното взаимодействие енергийната структура на атома се усложнява и в резултат на това характерното рентгеново лъчение има спектър, който се характеризира с разцепени линии с много близко разположени елементи.

Елементите на фината структура обикновено се обозначават с допълнителни цифрови индекси.

Характерното рентгеново лъчение има особеност, която се отразява само във фината структура на спектъра. Преходът на електрон към най-ниското енергийно ниво не се осъществява от долната подобвивка на горното ниво. Вероятността за такова събитие е незначителна.

Използването на рентгенови лъчи в спектрометрията

Това излъчване, поради своите характеристики, описани от закона на Мозли, е в основата на различни рентгенови спектрални методи за анализ на вещества. При анализ на рентгеновия спектър се използват или дифракция на излъчване от кристали (вълново-дисперсионен метод), или детектори, чувствителни към енергията на погълнатите рентгенови фотони (енергийно-дисперсионен метод). Повечето електронни микроскопи са оборудвани с някаква форма на приставка за рентгенова спектрометрия.

Вълново-дисперсионната спектрометрия се характеризира с особено висока точност. С помощта на специални филтри се избират най-интензивните пикове в спектъра, така че може да се получи почти монохроматично излъчване с точно известна честота. Материалът на анода се избира много внимателно, за да се гарантира, че се получава монохроматичен лъч с желаната честота. Неговата дифракция върху кристалната решетка на изследваното вещество дава възможност да се изследва структурата на решетката с голяма точност. Този метод се използва и при изследване на ДНК и други сложни молекули.

Една от особеностите на характерното рентгеново лъчение се взема предвид и в гама спектрометрията. Това е високата интензивност на характерните пикове. Гама спектрометрите използват оловно екраниране срещу външна фонова радиация, която пречи на измерванията. Но оловото, поглъщащо гама квантите, изпитва вътрешна йонизация, в резултат на което активно излъчва в рентгеновия диапазон. Допълнително кадмиево екраниране се използва за поглъщане на интензивните пикове на характерното рентгеново лъчение от олово. Той от своя страна се йонизира и също излъчва рентгенови лъчи. За неутрализиране на характерните пикове на кадмия се използва трети екраниращ слой - мед, чиито рентгенови максимуми са извън работния честотен диапазон на гама спектрометъра.

Спектрометрията използва както спирачно лъчение, така и характерни рентгенови лъчи. Така при анализа на веществата се изследват спектрите на поглъщане на непрекъснати рентгенови лъчи от различни вещества.

Рентгеновите лъчи са открити случайно през 1895 г. от известния немски физик Вилхелм Рентген. Той изучава катодните лъчи в газоразрядна тръба с ниско налягане с високо напрежение между нейните електроди. Въпреки че тръбата беше в черна кутия, Рентген забеляза, че флуоресцентен екран, който се оказа наблизо, свети всеки път, когато тръбата работи. Оказа се, че тръбата е източник на радиация, която може да проникне в хартия, дърво, стъкло и дори алуминиева плоча с дебелина половин сантиметър.

Рентгеновата снимка установи, че газоразрядната тръба е източник на нов вид невидима радиация с висока проникваща способност. Ученият не можа да определи дали това излъчване е поток от частици или вълни и реши да му даде името рентгенови лъчи. По-късно те бяха наречени рентгенови лъчи.

Сега е известно, че рентгеновите лъчи са форма на електромагнитно излъчване с по-къса дължина на вълната от ултравиолетовите електромагнитни вълни. Дължината на вълната на рентгеновите лъчи варира от 70 nmдо 10-5 nm. Колкото по-къса е дължината на вълната на рентгеновите лъчи, толкова по-голяма е енергията на техните фотони и толкова по-голяма е проникващата сила. Рентгенови лъчи с относително дълга дължина на вълната (повече от 10 nm), са наречени мека. Дължина на вълната 1 - 10 nmхарактеризира твърдрентгенови лъчи. Имат голяма проникваща способност.

Получаване на рентгенови лъчи

Рентгеновите лъчи се получават, когато бързи електрони или катодни лъчи се сблъскат със стените или анода на газоразрядна тръба с ниско налягане. Съвременната рентгенова тръба е евакуиран стъклен съд с катод и анод, разположени в него. Потенциалната разлика между катода и анода (антикатод) достига няколкостотин киловолта. Катодът е волфрамова нишка, нагрявана от електрически ток. Това води до излъчване на електрони от катода в резултат на термионна емисия. Електроните се ускоряват от електрическо поле в рентгенова тръба. Тъй като в тръбата има много малък брой газови молекули, електроните практически не губят енергията си по пътя към анода. Те достигат до анода с много висока скорост.

Рентгеновите лъчи винаги се получават, когато високоскоростните електрони се забавят от материала на анода. По-голямата част от енергията на електроните се разсейва като топлина. Следователно анодът трябва да бъде изкуствено охладен. Анодът в рентгеновата тръба трябва да бъде направен от метал с висока точка на топене, като волфрам.

Част от енергията, която не се разсейва под формата на топлина, се превръща в енергия на електромагнитни вълни (рентгенови лъчи). По този начин рентгеновите лъчи са резултат от електронно бомбардиране на анодния материал. Има два вида рентгенови лъчи: спирачни и характерни.

Рентгенова снимка на спирачно лъчение

Спирачното лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, се забавят от електрическите полета на анодните атоми. Условията на забавяне на отделните електрони не са еднакви. В резултат на това различни части от кинетичната им енергия преминават в енергията на рентгеновите лъчи.

Спектърът на спирачното лъчение не зависи от естеството на анодния материал. Както знаете, енергията на рентгеновите фотони определя тяхната честота и дължина на вълната. Следователно, спирачните рентгенови лъчи не са монохроматични. Характеризира се с различни дължини на вълните, които могат да бъдат представени непрекъснат (непрекъснат) спектър.

Рентгеновите лъчи не могат да имат енергия, по-голяма от кинетичната енергия на електроните, които ги образуват. Най-късата дължина на вълната на рентгеновите лъчи съответства на максималната кинетична енергия на забавящите се електрони. Колкото по-голяма е потенциалната разлика в рентгеновата тръба, толкова по-малки дължини на вълната на рентгеновите лъчи могат да се получат.

Характерни рентгенови лъчи

Характерното рентгеново лъчение не е непрекъснато, но линеен спектър. Този тип радиация възниква, когато бърз електрон, достигайки анода, навлиза във вътрешните орбитали на атомите и избива един от техните електрони. В резултат на това се появява свободно пространство, което може да бъде запълнено от друг електрон, слизащ от една от горните атомни орбитали. Този преход на електрон от по-високо към по-ниско енергийно ниво причинява рентгенови лъчи с определена дискретна дължина на вълната. Следователно, характерното рентгеново лъчение има линеен спектър. Честотата на характерните радиационни линии зависи изцяло от структурата на електронните орбитали на анодните атоми.

Спектралните линии на характерното излъчване на различни химични елементи имат една и съща форма, тъй като структурата на техните вътрешни електронни орбити е идентична. Но тяхната дължина на вълната и честота се дължат на енергийните разлики между вътрешните орбитали на тежките и леките атоми.

Честотата на линиите на характерния рентгенов спектър се променя в съответствие с атомния номер на метала и се определя от уравнението на Мозли: v 1/2 = А(З Б), където З- атомен номер на химичен елемент, АИ Б- константи.

Първични физически механизми на взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята

Първичното взаимодействие между рентгеновите лъчи и материята се характеризира с три механизма:

1. Кохерентно разсейване. Тази форма на взаимодействие възниква, когато рентгеновите фотони имат по-малко енергия от енергията на свързване на електроните с ядрото на атома. В този случай енергията на фотона не е достатъчна за освобождаване на електрони от атомите на материята. Фотонът не се абсорбира от атома, а променя посоката на разпространение. В този случай дължината на вълната на рентгеновото лъчение остава непроменена.

2. Фотоелектричен ефект (фотоелектричен ефект). Когато рентгенов фотон достигне атом на материята, той може да нокаутира един от електроните. Това се случва, когато енергията на фотона надвишава енергията на свързване на електрона с ядрото. В този случай фотонът се абсорбира, а електронът се освобождава от атома. Ако фотонът носи повече енергия, отколкото е необходима за освобождаване на електрон, той ще прехвърли останалата енергия към освободения електрон под формата на кинетична енергия. Това явление, наречено фотоелектричен ефект, възниква при поглъщане на относително нискоенергийни рентгенови лъчи.

Атом, който загуби един от своите електрони, се превръща в положителен йон. Животът на свободните електрони е много кратък. Те се абсорбират от неутрални атоми, които се превръщат в отрицателни йони. Резултатът от фотоелектричния ефект е интензивна йонизация на материята.

Ако енергията на рентгеновия фотон е по-малка от йонизиращата енергия на атомите, тогава атомите преминават във възбудено състояние, но не се йонизират.

3. Некохерентно разсейване (ефект на Комптън). Този ефект е открит от американския физик Комптън. Това се случва, когато веществото абсорбира рентгенови лъчи с малка дължина на вълната. Енергията на фотоните на такива рентгенови лъчи винаги е по-голяма от енергията на йонизация на атомите на веществото. Ефектът на Комптън е резултат от взаимодействието на високоенергиен рентгенов фотон с един от електроните във външната обвивка на атома, който има относително слаба връзка с атомното ядро.

Високоенергиен фотон прехвърля част от енергията си на електрона. Възбуденият електрон се освобождава от атома. Останалата част от енергията на оригиналния фотон се излъчва като рентгенов фотон с по-голяма дължина на вълната под някакъв ъгъл спрямо посоката на първичния фотон. Вторичен фотон може да йонизира друг атом и т.н. Тези промени в посоката и дължината на вълната на рентгеновите лъчи са известни като ефект на Комптън.

Някои ефекти от взаимодействието на рентгеновите лъчи с материята

Както бе споменато по-горе, рентгеновите лъчи са в състояние да възбуждат атомите и молекулите на материята. Това може да причини флуоресценция на определени вещества (напр. цинков сулфат). Ако паралелен лъч рентгенови лъчи е насочен към непрозрачни обекти, тогава може да се наблюдава преминаването на лъчите през обекта чрез поставяне на екран, покрит с флуоресцентно вещество.

Флуоресцентният екран може да бъде заменен с фотографски филм. Рентгеновите лъчи имат същия ефект върху фотографската емулсия като светлината. И двата метода се използват в практическата медицина.

Друг важен ефект на рентгеновите лъчи е тяхната йонизираща способност. Зависи от тяхната дължина на вълната и енергия. Този ефект осигурява метод за измерване на интензитета на рентгеновите лъчи. Когато рентгеновите лъчи преминават през йонизационната камера, се генерира електрически ток, чиято величина е пропорционална на интензитета на рентгеновите лъчи.

Поглъщане на рентгенови лъчи от материята

Когато рентгеновите лъчи преминават през материята, тяхната енергия намалява поради поглъщане и разсейване. Отслабването на интензитета на паралелен лъч рентгенови лъчи, преминаващи през вещество, се определя от закона на Бугер: I = I0 e -μd, където аз 0- начален интензитет на рентгеново лъчение; азе интензитетът на рентгеновите лъчи, преминаващи през слоя материя, д-дебелина на абсорбиращия слой , μ - линеен коефициент на затихване. То е равно на сбора от две величини: т- линеен коефициент на поглъщане и σ - линеен коефициент на разсейване: μ = τ+ σ

При експерименти е установено, че коефициентът на линейна абсорбция зависи от атомния номер на веществото и дължината на вълната на рентгеновите лъчи:

τ = kρZ 3 λ 3, където к- коефициент на пряка пропорционалност, ρ - плътността на веществото, Зе атомният номер на елемента, λ е дължината на вълната на рентгеновите лъчи.

Зависимостта от Z е много важна от практическа гледна точка. Например, коефициентът на усвояване на костите, които са съставени от калциев фосфат, е почти 150 пъти по-висок от коефициента на усвояване на меките тъкани ( З=20 за калций и З=15 за фосфор). Когато рентгеновите лъчи преминават през човешкото тяло, костите се открояват ясно на фона на мускулите, съединителната тъкан и т.н.

Известно е, че храносмилателните органи имат същия коефициент на усвояване като другите меки тъкани. Но сянката на хранопровода, стомаха и червата може да се различи, ако пациентът погълне контрастно вещество - бариев сулфат ( Z= 56 за барий). Бариевият сулфат е много непрозрачен за рентгенови лъчи и често се използва за рентгенови изследвания на стомашно-чревния тракт. Някои непрозрачни смеси се инжектират в кръвния поток, за да се изследва състоянието на кръвоносните съдове, бъбреците и други подобни. В този случай като контрастно вещество се използва йод, чийто атомен номер е 53.

Зависимост на абсорбцията на рентгенови лъчи от Зизползва се и за защита срещу възможните вредни ефекти на рентгеновите лъчи. За тази цел се използва олово, стойността Зза което е 82.

Използването на рентгенови лъчи в медицината

Причината за използването на рентгеновите лъчи в диагностиката е тяхната висока проникваща способност, една от основните Рентгенови свойства. В първите дни на откритието рентгеновите лъчи са били използвани главно за изследване на костни фрактури и локализиране на чужди тела (като куршуми) в човешкото тяло. В момента се използват няколко диагностични метода с помощта на рентгенови лъчи (рентгенова диагностика).

Флуороскопия . Рентгеновото устройство се състои от източник на рентгенови лъчи (рентгенова тръба) и флуоресцентен екран. След преминаване на рентгеновите лъчи през тялото на пациента, лекарят наблюдава изображение в сянка на пациента. Между екрана и очите на лекаря трябва да се монтира оловен прозорец, за да се предпази лекарят от вредното въздействие на рентгеновите лъчи. Този метод дава възможност да се изследва функционалното състояние на някои органи. Например, лекар може директно да наблюдава движенията на белите дробове, преминаването на контрастно вещество през стомашно-чревния тракт. Недостатъците на този метод са недостатъчните контрастни изображения и относително високите дози радиация, получавани от пациента по време на процедурата.

Флуорография . Този метод се състои в заснемане на част от тялото на пациента. Те се използват, като правило, за предварително изследване на състоянието на вътрешните органи на пациенти, използващи ниски дози рентгенови лъчи.

Рентгенография. (рентгенова рентгенография). Това е метод за изследване с помощта на рентгенови лъчи, по време на който изображението се записва на фотографски филм. Снимките обикновено се правят в две перпендикулярни равнини. Този метод има някои предимства. Рентгеновите снимки съдържат повече детайли от изображение на флуоресцентен екран и следователно са по-информативни. Те могат да бъдат запазени за по-нататъшен анализ. Общата доза на радиация е по-малка от тази, използвана при флуороскопията.

Компютърна рентгенова томография . Компютърният аксиален томографски скенер е най-модерното рентгеново диагностично устройство, което ви позволява да получите ясен образ на всяка част от човешкото тяло, включително меките тъкани на органи.

Първото поколение скенери за компютърна томография (CT) включва специална рентгенова тръба, която е прикрепена към цилиндрична рамка. Тънък лъч рентгенови лъчи се насочва към пациента. Два рентгенови детектора са прикрепени към противоположната страна на рамката. Пациентът е в центъра на рамката, която може да се върти на 180 0 около тялото му.

Рентгенов лъч преминава през неподвижен обект. Детекторите приемат и записват стойностите на абсорбция от различни тъкани. Записите се правят 160 пъти, докато рентгеновата тръба се движи линейно по сканираната равнина. След това рамката се завърта на 1 0 и процедурата се повтаря. Записването продължава, докато рамката се завърти на 180 0 . Всеки детектор записва 28800 кадъра (180x160) по време на изследването. Информацията се обработва от компютър, като чрез специална компютърна програма се формира изображение на избрания слой.

Второто поколение CT използва множество рентгенови лъчи и до 30 рентгенови детектора. Това дава възможност да се ускори процеса на изследване до 18 секунди.

Третото поколение CT използва нов принцип. Широк, ветрилообразен рентгенов лъч покрива изследвания обект, а рентгеновото лъчение, преминало през тялото, се записва от няколкостотин детектора. Времето, необходимо за изследване, се намалява до 5-6 секунди.

КТ има много предимства пред по-ранните рентгенови диагностични методи. Характеризира се с висока разделителна способност, което позволява да се разграничат фините промени в меките тъкани. CT позволява да се открият такива патологични процеси, които не могат да бъдат открити с други методи. В допълнение, използването на КТ дава възможност да се намали дозата на рентгеново лъчение, получена от пациентите по време на диагностичния процес.