Rentgena starojuma īpašības un pielietojums. Raksturīgi rentgena stari

• Jo lielāks spriegums tiek pielikts caurules poliem, jo ​​spēcīgāka uz tiem parādās potenciālu starpība, tāpēc kustīgo elektronu kinētiskā enerģija būs lielāka. Spriegums uz caurules nosaka elektronu ātrumu un to sadursmes spēku ar anoda materiālu, tāpēc spriegums nosaka iegūtā rentgena starojuma viļņa garumu.

Rentgena lampu klasifikācija

1. Pēc pieraksta
1. Diagnostikas
2. Terapeitiskā
3. Strukturālai analīzei
4. Caurgaismošanai
2. Pēc dizaina
1. Pēc fokusa

• Viens fokuss (viena spirāle uz katoda un viena fokusa vieta uz anoda)
• Bifokāls (divas dažāda izmēra spirāles uz katoda un divi fokusa punkti uz anoda)

1. Pēc anoda veida

• Stacionārs (fiksēts)
• Rotējošs

Rentgena starus izmanto ne tikai radiodiagnostikas, bet arī terapeitiskos nolūkos. Kā minēts iepriekš, rentgena starojuma spēja nomākt audzēja šūnu augšanu ļauj to izmantot onkoloģisko slimību staru terapijā. Papildus medicīnas pielietojuma jomai rentgena starojums ir atradis plašu pielietojumu inženierzinātnēs un tehniskajā jomā, materiālzinātnē, kristalogrāfijā, ķīmijā un bioķīmijā: piemēram, ir iespējams identificēt strukturālos defektus dažādos produktos (sliedes, metinātās šuves). uc), izmantojot rentgena starojumu. Šādu pētījumu veidu sauc par defektoskopiju. Un lidostās, dzelzceļa stacijās un citās pārpildītās vietās rentgena televīzijas introskopi tiek aktīvi izmantoti rokas bagāžas un bagāžas skenēšanai drošības nolūkos.

Atkarībā no anoda veida rentgenstaru lampas atšķiras pēc konstrukcijas. Sakarā ar to, ka 99% no elektronu kinētiskās enerģijas tiek pārvērsti siltumenerģijā, caurules darbības laikā anods tiek ievērojami uzkarsēts - jutīgais volframa mērķis bieži izdeg. Anods tiek atdzesēts modernās rentgenstaru lampās, to pagriežot. Rotējošajam anodam ir diska forma, kas vienmērīgi sadala siltumu pa visu virsmu, novēršot volframa mērķa lokālu pārkaršanu.

Rentgena lampu dizains atšķiras arī fokusā. Fokālais punkts - anoda daļa, uz kuras tiek ģenerēts darba rentgena stars. Tas ir sadalīts reālajā fokusa punktā un efektīvajā fokusa punktā ( rīsi. 12). Anoda leņķa dēļ efektīvais fokusa punkts ir mazāks par reālo. Atkarībā no attēla apgabala lieluma tiek izmantoti dažādi fokusa punktu izmēri. Jo lielāks attēla laukums, jo plašākam fokusa punktam jābūt, lai aptvertu visu attēla laukumu. Tomēr mazāks fokusa punkts nodrošina labāku attēla skaidrību. Tāpēc, veidojot mazus attēlus, tiek izmantots īss kvēldiegs un elektroni tiek novirzīti uz nelielu anoda mērķa laukumu, radot mazāku fokusa punktu.

Rīsi. 9 - rentgena caurule ar stacionāru anodu.
Rīsi. 10 - Rentgena caurule ar rotējošu anodu.
Rīsi. 11 - rentgenstaru lampas ierīce ar rotējošu anodu.
Rīsi. 12 ir diagramma par reāla un efektīva fokusa punkta veidošanos.

Rentgena starojums rodas, kad elektroni, kas pārvietojas lielā ātrumā, mijiedarbojas ar vielu. Kad elektroni saduras ar jebkuras vielas atomiem, tie ātri zaudē savu kinētisko enerģiju. Šajā gadījumā lielākā daļa tiek pārvērsta siltumā, un neliela daļa, parasti mazāka par 1%, tiek pārvērsta rentgena enerģijā. Šī enerģija tiek atbrīvota kvantu veidā - daļiņas, ko sauc par fotoniem, kurām ir enerģija, bet kurām ir nulle miera masa. Rentgenstaru fotoni atšķiras ar savu enerģiju, kas ir apgriezti proporcionāla to viļņa garumam. Parastā rentgenstaru iegūšanas metodē tiek iegūts plašs viļņu garumu diapazons, ko sauc par rentgenstaru spektru. Spektrs satur izteiktas sastāvdaļas, kā parādīts attēlā. viens.

Rīsi. viens. PARASTAIS rentgenstaru spektrs sastāv no nepārtraukta spektra (kontinuums) un raksturīgām līnijām (asām virsotnēm). Kia un Kib līnijas rodas paātrinātu elektronu mijiedarbības dēļ ar iekšējā K veida apvalka elektroniem.

Plašo "kontinuumu" sauc par nepārtrauktu spektru vai balto starojumu. Uz tā uzliktās asās virsotnes sauc par raksturīgām rentgenstaru emisijas līnijām. Lai gan viss spektrs ir elektronu sadursmes ar vielu rezultāts, tā plašās daļas un līniju parādīšanās mehānismi ir atšķirīgi. Viela sastāv no liela skaita atomu, no kuriem katram ir kodols, ko ieskauj elektronu apvalki, un katrs elektrons konkrētā elementa atoma apvalkā aizņem noteiktu diskrētu enerģijas līmeni. Parasti šīs čaulas jeb enerģijas līmeņus apzīmē ar simboliem K, L, M utt, sākot no kodolam vistuvāk esošās čaulas. Kad krītošs pietiekami augstas enerģijas elektrons saduras ar kādu no elektroniem, kas saistīti ar atomu, tas izsit šo elektronu no čaulas. Tukšo vietu aizņem cits elektrons no čaulas, kas atbilst augstākai enerģijai. Šis pēdējais izdala lieko enerģiju, izstarojot rentgena fotonu. Tā kā apvalka elektroniem ir diskrētas enerģijas vērtības, iegūtajiem rentgena fotoniem ir arī diskrēts spektrs. Tas atbilst asiem pīķiem noteiktiem viļņu garumiem, kuru īpašās vērtības ir atkarīgas no mērķa elementa. Raksturīgās līnijas veido K-, L- un M-sērijas atkarībā no tā, no kura apvalka (K, L vai M) elektrons tika noņemts. Sakarību starp rentgenstaru viļņa garumu un atomskaitli sauc par Mozeleja likumu (2. att.).

Rīsi. 2. Ķīmisko elementu izstarotā RAKSTURĪGĀ X-STARU viļņa garums ir atkarīgs no elementa atomu skaita. Līkne atbilst Mozeleja likumam: jo lielāks ir elementa atomu skaits, jo īsāks ir raksturīgās līnijas viļņa garums.

Ja elektrons saduras ar salīdzinoši smagu kodolu, tad tas palēninās, un tā kinētiskā enerģija tiek atbrīvota aptuveni tādas pašas enerģijas rentgena fotona veidā. Ja tas lidos garām kodolam, tas zaudēs tikai daļu savas enerģijas, bet pārējais tiks pārnests uz citiem atomiem, kas nonāk tā ceļā. Katrs enerģijas zuduma akts noved pie fotona emisijas ar noteiktu enerģiju. Parādās nepārtraukts rentgenstaru spektrs, kura augšējā robeža atbilst ātrākā elektrona enerģijai. Tas ir nepārtraukta spektra veidošanās mehānisms, un maksimālā enerģija (vai minimālais viļņa garums), kas nosaka nepārtrauktā spektra robežu, ir proporcionāls paātrinājuma spriegumam, kas nosaka krītošo elektronu ātrumu. Spektrlīnijas raksturo bombardētā mērķa materiālu, savukārt nepārtraukto spektru nosaka elektronu stara enerģija un tas praktiski nav atkarīgs no mērķa materiāla.

Rentgenstarus var iegūt ne tikai ar elektronu bombardēšanu, bet arī apstarojot mērķi ar rentgena stariem no cita avota. Tomēr šajā gadījumā lielākā daļa krītošā staru kūļa enerģijas nonāk raksturīgajā rentgenstaru spektrā, un ļoti neliela daļa no tā iekrīt nepārtrauktajā spektrā. Acīmredzot krītošajam rentgena staram jābūt fotoniem, kuru enerģija ir pietiekama, lai ierosinātu bombardētā elementa raksturīgās līnijas. Lielais enerģijas procentuālais daudzums raksturīgajā spektrā padara šo rentgenstaru ierosināšanas metodi ērtu zinātniskiem pētījumiem.

Rentgena lampas. Lai iegūtu rentgena starojumu elektronu mijiedarbības ar vielu dēļ, ir nepieciešams elektronu avots, līdzekļi to paātrināšanai līdz lieliem ātrumiem un mērķis, kas spēj izturēt elektronu bombardēšanu un radīt rentgena starojumu. nepieciešamo intensitāti. Ierīci, kurai tas viss ir, sauc par rentgena cauruli. Pirmie pētnieki izmantoja "dziļā vakuuma" caurules, piemēram, mūsdienu izlādes caurules. Vakuums tajos nebija īpaši liels.

Izlādes caurulēs ir neliels gāzes daudzums, un, kad caurules elektrodiem tiek pielietota liela potenciālu starpība, gāzes atomi pārvēršas pozitīvos un negatīvos jonos. Pozitīvie virzās uz negatīvo elektrodu (katodu) un, uz tā krītot, izsit no tā elektronus, un tie savukārt virzās uz pozitīvo elektrodu (anodu) un, to bombardējot, rada rentgena fotonu plūsmu. .

Mūsdienu Coolidge izstrādātajā rentgenstaru caurulē (3. att.) elektronu avots ir līdz augstai temperatūrai uzkarsēts volframa katods. Elektronus paātrina līdz lieliem ātrumiem lielā potenciāla starpība starp anodu (vai antikatodu) un katodu. Tā kā elektroniem jāsasniedz anods bez sadursmes ar atomiem, ir nepieciešams ļoti augsts vakuums, kuram caurulei jābūt labi evakuētai. Tas arī samazina atlikušo gāzes atomu un saistīto sānu strāvu jonizācijas iespējamību.

Rīsi. 3. X-STARU TUBE COOLIDGE. Bombardējot ar elektroniem, volframa antikatods izstaro raksturīgus rentgena starus. Rentgena staru šķērsgriezums ir mazāks par faktisko apstaroto laukumu. 1 - elektronu stars; 2 - katods ar fokusēšanas elektrodu; 3 - stikla apvalks (caurule); 4 - volframa mērķis (antikatods); 5 - katoda kvēldiegs; 6 - faktiski apstarotā platība; 7 - efektīva fokusa vieta; 8 - vara anods; 9 - logs; 10 - izkliedēti rentgena stari.

Elektronus fokusē uz anodu ar īpašas formas elektrodu, kas ieskauj katodu. Šo elektrodu sauc par fokusēšanas elektrodu un kopā ar katodu veido caurules "elektronisko prožektoru". Anodam, kas pakļauts elektronu bombardēšanai, jābūt izgatavotam no ugunsizturīga materiāla, jo lielākā daļa bombardējošo elektronu kinētiskās enerģijas tiek pārvērsta siltumā. Turklāt ir vēlams, lai anods būtu izgatavots no materiāla ar augstu atomskaitli, kopš rentgenstaru iznākums palielinās, palielinoties atomu skaitam. Visbiežāk izvēlētais anoda materiāls ir volframs, kura atomu skaits ir 74.

Rentgenstaru lampu dizains var atšķirties atkarībā no pielietojuma un prasībām.

Krievijas Federācijas Izglītības un zinātnes ministrija

Federālā izglītības aģentūra

GOU VPO SUSU

Fizikālās ķīmijas katedra

KSE kursā: “Rentgena starojums”

Pabeigts:

Naumova Daria Gennadievna

Pārbaudīts:

Asociētais profesors, K.T.N.

Tanklevskaja N.M.

Čeļabinska 2010

Ievads

I nodaļa. Rentgenstaru atklāšana

Kvīts

Mijiedarbība ar matēriju

Bioloģiskā ietekme

Reģistrācija

Pieteikums

Kā tiek uzņemts rentgens

dabiskie rentgena stari

II nodaļa. Radiogrāfija

Pieteikums

Attēlu iegūšanas metode

Radiogrāfijas priekšrocības

Radiogrāfijas trūkumi

Fluoroskopija

Saņemšanas princips

Fluoroskopijas priekšrocības

Fluoroskopijas trūkumi

Digitālās tehnoloģijas fluoroskopijā

Daudzrindu skenēšanas metode

Secinājums

Izmantotās literatūras saraksts

Ievads

Rentgena starojums - elektromagnētiskie viļņi, kuru fotonu enerģiju nosaka enerģijas diapazons no ultravioletā līdz gamma starojumam, kas atbilst viļņu garuma diapazonam no 10-4 līdz 10² Å (no 10-14 līdz 10-8 m).

Tāpat kā redzamā gaisma, rentgenstari izraisa fotofilmas melnināšanu. Šim īpašumam ir liela nozīme medicīnā, rūpniecībā un zinātniskajā pētniecībā. Izejot cauri pētāmajam objektam un pēc tam nokrītot uz filmas, rentgena starojums uz tā attēlo savu iekšējo struktūru. Tā kā rentgena starojuma caurlaidības spēja dažādiem materiāliem ir atšķirīga, objekta daļas, kas tam ir mazāk caurspīdīgas, fotogrāfijā piešķir gaišākus laukumus nekā tās, caur kurām starojums labi iekļūst. Tādējādi kaulu audi ir mazāk caurspīdīgi rentgena stariem nekā audi, kas veido ādu un iekšējos orgānus. Tāpēc rentgenogrammā kauli tiks norādīti kā gaišāki laukumi un radiācijai caurspīdīgāka lūzuma vieta būs diezgan viegli konstatējama. Rentgena attēlu izmanto arī zobārstniecībā, lai atklātu kariesu un abscesus zobu saknēs, kā arī rūpniecībā, lai atklātu plaisas lējumos, plastmasā un gumijā.

Rentgenstarus izmanto ķīmijā, lai analizētu savienojumus un fizikā, lai pētītu kristālu struktūru. Rentgena stars, kas iet cauri ķīmiskam savienojumam, izraisa raksturīgu sekundāro starojumu, kura spektroskopiskā analīze ļauj ķīmiķim noteikt savienojuma sastāvu. Krītot uz kristāliskas vielas, rentgena staru kūlis tiek izkliedēts pa kristāla atomiem, radot skaidru, regulāru plankumu un svītru rakstu uz fotoplates, kas ļauj noteikt kristāla iekšējo struktūru.

Rentgenstaru izmantošana vēža ārstēšanā ir balstīta uz faktu, ka tie nogalina vēža šūnas. Tomēr tam var būt arī nevēlama ietekme uz normālām šūnām. Tādēļ, izmantojot rentgena starus, ir jāievēro īpaša piesardzība.

I nodaļa. Rentgenstaru atklāšana

Rentgenstaru atklāšanu piedēvē Vilhelmam Konrādam Rentgenam. Viņš bija pirmais, kurš publicēja rakstu par rentgena stariem, ko viņš nosauca par rentgena stariem (rentgenstaru). Rentgena raksts ar nosaukumu "Par jauna veida stariem" tika publicēts 1895. gada 28. decembrī Vircburgas Fizikas un medicīnas biedrības žurnālā. Tomēr tiek uzskatīts par pierādītu, ka rentgenstari ir iegūti jau iepriekš. Katodstaru lampu, ko Rentgens izmantoja savos eksperimentos, izstrādāja J. Hitorfs un V. Krūkss. Šī caurule rada rentgena starus. Tas tika parādīts Crookes eksperimentos un no 1892. gada Heinriha Herca un viņa studenta Filipa Lenarda eksperimentos, izmantojot fotoplāksnīšu melnināšanu. Tomēr neviens no viņiem neapzinājās sava atklājuma nozīmi un nepublicēja savus rezultātus. Tāpat Nikola Tesla, sākot ar 1897. gadu, eksperimentēja ar katodstaru lampām, saņēma rentgena starus, taču savus rezultātus nepublicēja.

Šī iemesla dēļ Rentgens nezināja par pirms viņa izdarītajiem atklājumiem un vēlāk viņa vārdā nosauktos starus atklāja neatkarīgi - novērojot fluorescenci, kas rodas katodstaru lampas darbības laikā. Rentgens pētīja rentgena starus nedaudz vairāk nekā gadu (no 1895. gada 8. novembra līdz 1897. gada martam) un publicēja tikai trīs salīdzinoši nelielus rakstus par tiem, taču tie sniedza tik izsmeļošu jauno staru aprakstu, ka simtiem viņa sekotāju rakstu, pēc tam publicēts 12 gadu laikā, nevarēja ne pievienot, ne mainīt neko būtisku. Rentgens, kurš bija zaudējis interesi par rentgena stariem, kolēģiem teica: "Es jau visu uzrakstīju, netērējiet savu laiku." Rentgena slavu veicināja arī slavenā viņa sievas rokas fotogrāfija, ko viņš publicēja savā rakstā (skat. attēlu pa labi). Šāda slava atnesa Rentgenam 1901. gadā pirmo Nobela prēmiju fizikā, un Nobela komiteja uzsvēra viņa atklājuma praktisko nozīmi. 1896. gadā pirmo reizi tika izmantots nosaukums "rentgena stari". Dažās valstīs saglabājies vecais nosaukums – rentgens. Krievijā starus sāka saukt par "rentgenu" pēc studenta V.K. ieteikuma. Rentgens - Ābrams Fedorovičs Jofs.

Pozīcija elektromagnētisko viļņu skalā

Rentgenstaru un gamma staru enerģijas diapazoni pārklājas plašā enerģijas diapazonā. Abi starojuma veidi ir elektromagnētiskais starojums un ir līdzvērtīgi vienai un tai pašai fotonu enerģijai. Terminoloģiskā atšķirība slēpjas rašanās režīmā - rentgena stari tiek izstaroti ar elektronu līdzdalību (vai nu atomos, vai brīvos), savukārt gamma starojums tiek izstarots atomu kodolu deaktivizēšanas procesos. Rentgenstaru fotonu enerģija ir no 100 eV līdz 250 keV, kas atbilst starojumam ar frekvenci no 3 1016 Hz līdz 6 1019 Hz un viļņa garumu 0,005 - 10 nm (nav vispārpieņemtas X apakšējās robežas definīcijas -staru diapazons viļņu garuma skalā). Mīkstajiem rentgena stariem ir raksturīga zemākā fotonu enerģija un starojuma frekvence (un garākais viļņa garums), savukārt cietajiem rentgena stariem ir visaugstākā fotonu enerģija un starojuma frekvence (un īsākais viļņa garums).

(Viņa sievas rokas rentgena fotogrāfija (rentgenogramma), uzņēma V.K. Rentgens)

Kvīts

Rentgenstarus rada spēcīgs lādētu daļiņu (galvenokārt elektronu) paātrinājums vai augstas enerģijas pārejas atomu vai molekulu elektronu apvalkos. Abi efekti tiek izmantoti rentgenstaru lampās, kurās no karstā katoda izstarotie elektroni tiek paātrināti (netiek izstaroti rentgena stari, jo paātrinājums ir pārāk mazs) un skar anodu, kur tie tiek strauji palēnināti (šajā gadījumā Tiek izstaroti rentgena stari: tā sauktie .bremsstrahlung) un vienlaikus izsit elektronus no tā metāla atomu iekšējiem elektronu apvalkiem, no kuriem izgatavots anods. Tukšās vietas čaumalās aizņem citi atoma elektroni. Šajā gadījumā rentgena starojums tiek izstarots ar noteiktu anoda materiālam raksturīgu enerģiju (raksturīgo starojumu, frekvences nosaka Mozeleja likums:

kur Z ir anoda elementa atomskaitlis, A un B ir konstantes noteiktai elektronu apvalka galvenā kvantu skaitļa n vērtībai). Pašlaik anodi galvenokārt ir izgatavoti no keramikas, bet daļa, kurā ietriecas elektroni, ir no molibdēna. Paātrinājuma-palēninājuma procesā tikai 1% no elektrona kinētiskās enerģijas nonāk rentgena staros, 99% enerģijas pārvēršas siltumā.

Rentgenstarus var iegūt arī daļiņu paātrinātājos. ts. Sinhrotronu starojums rodas, kad daļiņu stars tiek novirzīts magnētiskajā laukā, kā rezultātā tās piedzīvo paātrinājumu virzienā, kas ir perpendikulārs to kustībai. Sinhrotronu starojumam ir nepārtraukts spektrs ar augšējo robežu. Ar atbilstoši izvēlētiem parametriem (magnētiskā lauka lielumu un daļiņu enerģiju) var iegūt arī rentgena starus sinhrotrona starojuma spektrā.

Rentgena caurules shematisks attēlojums. Rentgenstari, K - katods, A - anods (dažreiz saukts par antikatodu), C - siltuma izlietne, Uh - katoda kvēldiega spriegums, Ua - paātrināšanas spriegums, Win - ūdens dzesēšanas ieplūde, Wout - ūdens dzesēšanas izeja (sk. x- staru caurule).

Mijiedarbība ar matēriju

Gandrīz jebkuras vielas refrakcijas indekss rentgena stariem maz atšķiras no vienotības. Tā sekas ir fakts, ka nav materiāla, no kura var izgatavot rentgena lēcas. Turklāt, kad rentgena stari krīt perpendikulāri virsmai, tie gandrīz netiek atspoguļoti. Neskatoties uz to, rentgena optikā ir atrastas metodes rentgenstaru optisko elementu konstruēšanai.

Rentgenstari var iekļūt vielā, un dažādas vielas tos absorbē atšķirīgi. Rentgenstaru absorbcija ir viņu vissvarīgākā īpašība rentgena fotogrāfijā. Rentgenstaru intensitāte samazinās eksponenciāli atkarībā no ceļa, kas noiets absorbējošajā slānī (I = I0e-kd, kur d ir slāņa biezums, koeficients k ir proporcionāls Z3λ3, Z ir elementa atomskaitlis, λ ir viļņa garums).

Absorbcija notiek fotoabsorbcijas un Komptona izkliedes rezultātā:

Ar fotoabsorbciju saprot elektronu no atoma čaulas ar fotona palīdzību, kas prasa, lai fotona enerģija būtu lielāka par noteiktu minimālo vērtību. Ja ņemam vērā absorbcijas akta varbūtību atkarībā no fotona enerģijas, tad, sasniedzot noteiktu enerģiju, tā (varbūtība) strauji palielinās līdz maksimālajai vērtībai. Augstākām enerģijām iespējamība nepārtraukti samazinās. Šīs atkarības dēļ tiek teikts, ka pastāv absorbcijas robeža. Absorbcijas akta laikā izsistā elektrona vietu ieņem cits elektrons, savukārt izstarojas starojums ar mazāku fotona enerģiju, t.s. fluorescences process.

Rentgenstariem ir viena no svarīgākajām lomām atomu parādību izpētē un praktiskajā izmantošanā. Pateicoties viņu pētījumiem, tika veikti daudzi atklājumi un izstrādātas vielu analīzes metodes, kas tiek izmantotas dažādās jomās. Šeit mēs apsvērsim vienu no rentgenstaru veidiem - raksturīgo rentgenstaru.

Rentgenstaru būtība un īpašības

Rentgena starojums ir augstfrekvences izmaiņas elektromagnētiskā lauka stāvoklī, kas izplatās telpā ar ātrumu aptuveni 300 000 km / s, tas ir, elektromagnētiskie viļņi. Elektromagnētiskā starojuma diapazona mērogā rentgena stari atrodas viļņu garuma diapazonā no aptuveni 10 -8 līdz 5∙10 -12 metriem, kas ir par vairākām kārtām īsāki nekā optiskie viļņi. Tas atbilst frekvencēm no 3∙10 16 līdz 6∙10 19 Hz un enerģijām no 10 eV līdz 250 keV jeb 1,6∙10 -18 līdz 4∙10 -14 J. Jāņem vērā, ka frekvenču diapazonu robežas elektromagnētiskais starojums ir diezgan konvencionāls to pārklāšanās dēļ.

Tā ir paātrinātu lādētu daļiņu (augstas enerģijas elektronu) mijiedarbība ar elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem un vielas atomiem.

Rentgenstaru fotoniem ir raksturīga liela enerģija un augsta iespiešanās un jonizējošā jauda, ​​īpaši cietajiem rentgena stariem, kuru viļņa garums ir mazāks par 1 nanometru (10–9 m).

Rentgenstari mijiedarbojas ar vielu, jonizējot tās atomus, fotoelektriskā efekta (fotoabsorbcijas) un nesakarīgās (Compton) izkliedes procesos. Fotoabsorbcijā rentgenstaru fotons, ko absorbē atoma elektrons, nodod tam enerģiju. Ja tā vērtība pārsniedz elektrona saistīšanas enerģiju atomā, tad tas atstāj atomu. Komptona izkliede ir raksturīga cietākiem (enerģiskiem) rentgena fotoniem. Daļa absorbētā fotona enerģijas tiek tērēta jonizācijai; šajā gadījumā noteiktā leņķī pret primārā fotona virzienu izstaro sekundāro fotonu ar zemāku frekvenci.

Rentgena starojuma veidi. Bremsstrahlung

Lai iegūtu starus, tiek izmantotas stikla vakuuma pudeles ar elektrodiem, kas atrodas iekšpusē. Potenciālai starpībai starp elektrodiem jābūt ļoti lielai — līdz pat simtiem kilovoltu. Uz volframa katoda, ko silda strāva, notiek termiskā emisija, tas ir, no tā izdalās elektroni, kas, potenciālu starpības paātrināti, bombardē anodu. To mijiedarbības rezultātā ar anoda (dažkārt saukta par antikatodu) atomiem rodas rentgena fotoni.

Atkarībā no tā, kāds process noved pie fotona dzimšanas, ir tādi rentgena starojuma veidi kā bremsstrahlung un raksturīgais.

Elektroni, satiekoties ar anodu, var palēnināties, tas ir, zaudēt enerģiju savu atomu elektriskajos laukos. Šī enerģija tiek izstarota rentgena fotonu veidā. Šādu starojumu sauc par bremsstrahlung.

Ir skaidrs, ka atsevišķiem elektroniem bremzēšanas apstākļi būs atšķirīgi. Tas nozīmē, ka dažādi to kinētiskās enerģijas daudzumi tiek pārvērsti rentgena staros. Rezultātā bremsstrahlung ietver dažādu frekvenču un attiecīgi viļņu garumu fotonus. Tāpēc tā spektrs ir nepārtraukts (nepārtraukts). Dažreiz šī iemesla dēļ to sauc arī par "balto" rentgena staru.

Pārraušanas fotona enerģija nedrīkst pārsniegt elektrona, kas to ģenerē, kinētisko enerģiju, tāpēc bremzēšanas fotona maksimālā frekvence (un mazākais viļņa garums) atbilst lielākajai uz anodu krītošo elektronu kinētiskās enerģijas vērtībai. Pēdējais ir atkarīgs no potenciālu starpības, kas tiek piemērota elektrodiem.

Ir vēl viens rentgena veids, kas iegūts no cita procesa. Šo starojumu sauc par raksturīgu, un mēs pie tā pakavēsimies sīkāk.

Kā tiek iegūti raksturīgie rentgena stari

Sasniedzot antikatodu, ātrs elektrons var iekļūt atoma iekšpusē un izsist jebkuru elektronu no vienas no zemākajām orbitālēm, tas ir, pārnest uz to enerģiju, kas ir pietiekama, lai pārvarētu potenciālo barjeru. Taču, ja atomā ir augstāki enerģijas līmeņi, ko aizņem elektroni, atbrīvotā vieta nepaliks tukša.

Jāatceras, ka atoma elektroniskā struktūra, tāpat kā jebkura enerģijas sistēma, cenšas samazināt enerģiju. Nokauta rezultātā izveidojušos vakanci piepilda elektrons no viena no augstākajiem līmeņiem. Tā enerģija ir augstāka, un, ieņemot zemāku līmeni, tā izstaro pārpalikumu raksturīgā rentgena starojuma kvanta veidā.

Atoma elektroniskā struktūra ir diskrēts elektronu iespējamo enerģijas stāvokļu kopums. Tāpēc arī elektronu vakanču nomaiņas laikā izstarotajiem rentgena fotoniem var būt tikai stingri noteiktas enerģijas vērtības, kas atspoguļo līmeņa starpību. Rezultātā raksturīgajam rentgena starojumam ir nevis nepārtraukta, bet līnijas tipa spektrs. Šāds spektrs ļauj raksturot anoda vielu - no tā izriet šo staru nosaukums. Tieši spektrālo atšķirību dēļ ir skaidrs, kas ir domāts ar bremsstrahlung un raksturīgajiem rentgena stariem.

Dažkārt lieko enerģiju atoms neizstaro, bet gan tiek iztērēts trešā elektrona izsitšanai. Šis process - tā sauktais Augera efekts - visticamāk notiks, ja elektronu saistīšanas enerģija nepārsniedz 1 keV. Atbrīvotā Augera elektrona enerģija ir atkarīga no atoma enerģijas līmeņu struktūras, tāpēc arī šādu elektronu spektri ir diskrēti.

Raksturīgā spektra vispārīgs skats

Rentgenstaru spektrālajā modelī ir šauras raksturīgās līnijas, kā arī nepārtraukts bremzstrahlung spektrs. Ja mēs attēlosim spektru kā intensitātes un viļņa garuma (frekvences) diagrammu, līniju vietās mēs redzēsim asus maksimumus. To novietojums ir atkarīgs no anoda materiāla. Šie maksimumi ir pie jebkuras potenciālu starpības — ja ir rentgenstari, vienmēr ir arī maksimumi. Pieaugot spriegumam pie caurules elektrodiem, palielinās gan nepārtrauktā, gan raksturīgā rentgena starojuma intensitāte, bet pīķu izvietojums un to intensitātes attiecība nemainās.

Rentgenstaru spektros pīķiem ir vienāda forma neatkarīgi no elektronu apstarotā antikatoda materiāla, taču dažādiem materiāliem tie atrodas dažādās frekvencēs, virknē apvienojoties atbilstoši frekvences vērtību tuvumam. Starp pašām sērijām frekvenču atšķirība ir daudz būtiskāka. Maksimumu forma nekādā veidā nav atkarīga no tā, vai anoda materiāls ir tīrs ķīmiskais elements vai arī tā ir sarežģīta viela. Pēdējā gadījumā to veidojošo elementu raksturīgie rentgenstaru spektri ir vienkārši uzlikti viens otram.

Palielinoties ķīmiskā elementa atomu skaitam, visas tā rentgena spektra līnijas tiek novirzītas uz pieaugošu frekvenci. Spektrs saglabā savu formu.

Mozeleja likums

Raksturīgo līniju spektrālās nobīdes fenomenu eksperimentāli atklāja angļu fiziķis Henrijs Mozelijs 1913. gadā. Tas viņam ļāva saistīt spektra maksimumu frekvences ar ķīmisko elementu kārtas skaitļiem. Tādējādi raksturīgā rentgena starojuma viļņa garums, kā izrādījās, var skaidri korelēt ar konkrētu elementu. Kopumā Mozeleja likumu var uzrakstīt šādi: √f = (Z - S n)/n√R, kur f ir frekvence, Z ir elementa kārtas skaitlis, S n ir skrīninga konstante, n ir galvenais kvants. skaitlis, un R ir konstante Rydberg. Šī attiecība ir lineāra un parādās Moseley diagrammā kā taisnu līniju sērija katrai n vērtībai.

n vērtības atbilst atsevišķām raksturīgo rentgenstaru pīķu sērijām. Mozeleja likums ļauj noteikt ar cietajiem elektroniem apstarotā ķīmiskā elementa sērijas numuru no izmērītajiem viļņu garumiem (tie ir unikāli saistīti ar frekvencēm) rentgenstaru spektra maksimumos.

Ķīmisko elementu elektronu apvalku struktūra ir identiska. Par to liecina rentgenstaru raksturīgā spektra nobīdes izmaiņu monotonitāte. Frekvences nobīde atspoguļo nevis strukturālās, bet enerģijas atšķirības starp elektronu apvalkiem, kas ir unikālas katram elementam.

Mozeleja likuma loma atomu fizikā

Ir nelielas novirzes no stingrās lineārās attiecības, ko pauž Moseleja likums. Tie ir saistīti, pirmkārt, ar dažu elementu elektronu apvalku aizpildīšanas kārtības īpatnībām un, otrkārt, ar elektronu kustības relativistiskajiem efektiem smagajos atomos. Turklāt, mainoties neitronu skaitam kodolā (tā sauktā izotopu nobīde), līniju novietojums var nedaudz mainīties. Šis efekts ļāva detalizēti izpētīt atomu struktūru.

Mozeleja likuma nozīme ir ārkārtīgi liela. Tās konsekventā pielietošana Mendeļejeva periodiskās sistēmas elementiem noteica sērijas numura palielināšanas modeli atbilstoši katrai nelielai raksturīgo maksimumu nobīdei. Tas veicināja jautājuma noskaidrošanu par elementu kārtas skaita fizisko nozīmi. Z vērtība nav tikai skaitlis: tas ir kodola pozitīvais elektriskais lādiņš, kas ir to veidojošo daļiņu pozitīvo lādiņu vienību summa. Pareizs elementu izvietojums tabulā un tukšu pozīciju klātbūtne tajā (tad tās vēl pastāvēja) guva spēcīgu apstiprinājumu. Periodiskā likuma spēkā esamība tika pierādīta.

Turklāt Moseley likums kļuva par pamatu, uz kura radās vesela eksperimentālo pētījumu joma - rentgenstaru spektrometrija.

Atoma elektronu apvalku uzbūve

Īsi atcerēsimies, kā elektrons ir izkārtojies.Tas sastāv no čaumalām, kas apzīmētas ar burtiem K, L, M, N, O, P, Q vai cipariem no 1 līdz 7. Elektronus čaulā raksturo tas pats galvenais kvantu skaitlis n, kas nosaka iespējamās enerģijas vērtības. Ārējos apvalkos elektronu enerģija ir lielāka, un attiecīgi mazāks ir ārējo elektronu jonizācijas potenciāls.

Apvalks ietver vienu vai vairākus apakšlīmeņus: s, p, d, f, g, h, i. Katrā apvalkā apakšlīmeņu skaits palielinās par vienu, salīdzinot ar iepriekšējo. Elektronu skaits katrā apakšlīmenī un katrā apvalkā nedrīkst pārsniegt noteiktu vērtību. Tos papildus galvenajam kvantu skaitlim raksturo viena un tā pati orbitālā elektronu mākoņa vērtība, kas nosaka formu. Apakšlīmeņi ir apzīmēti ar čaulu, kurai tie pieder, piemēram, 2s, 4d utt.

Apakšlīmenī ir, kuras papildus galvenajam un orbitālajam nosaka vēl viens kvantu skaitlis - magnētiskais, kas nosaka elektrona orbitālā impulsa projekciju uz magnētiskā lauka virzienu. Vienā orbitālē var būt ne vairāk kā divi elektroni, kas atšķiras ar ceturtā kvantu skaitļa vērtību - spin.

Ļaujiet mums sīkāk apsvērt, kā rodas raksturīgs rentgena starojums. Tā kā šāda veida elektromagnētiskās emisijas izcelsme ir saistīta ar parādībām, kas notiek atoma iekšienē, visērtāk to ir precīzi aprakstīt elektronisko konfigurāciju tuvināšanā.

Raksturīgo rentgenstaru ģenerēšanas mehānisms

Tātad šī starojuma cēlonis ir elektronu vakanču veidošanās iekšējos apvalkos, pateicoties augstas enerģijas elektronu iekļūšanai dziļi atomā. Varbūtība, ka cietais elektrons mijiedarbosies, palielinās līdz ar elektronu mākoņu blīvumu. Tāpēc sadursmes, visticamāk, notiek blīvi iesaiņotos iekšējos apvalkos, piemēram, zemākajā K veida apvalkā. Šeit atoms tiek jonizēts, un 1s apvalkā veidojas vakance.

Šo vakanci aizpilda elektrons no čaulas ar lielāku enerģiju, kura pārpalikumu aiznes rentgena fotons. Šis elektrons var "nokrist" no otrā apvalka L, no trešā apvalka M un tā tālāk. Šādi tiek veidota raksturīgā sērija, šajā piemērā K sērija. Norāde par to, no kurienes nāk elektrons, kas aizpilda vakanci, tiek sniegts grieķu indeksa veidā, apzīmējot sēriju. "Alfa" nozīmē, ka tas nāk no L-čaulas, "beta" - no M apvalka. Pašlaik ir tendence grieķu burtu indeksus aizstāt ar latīņu burtiem, kas pieņemti, lai apzīmētu čaumalas.

Alfa līnijas intensitāte sērijā vienmēr ir visaugstākā, kas nozīmē, ka iespēja aizpildīt vakanci no blakus esošās čaulas ir vislielākā.

Tagad mēs varam atbildēt uz jautājumu, kāda ir raksturīgā rentgena kvanta maksimālā enerģija. To nosaka enerģijas vērtību atšķirības līmeņos, starp kuriem notiek elektronu pāreja, saskaņā ar formulu E \u003d E n 2 - E n 1, kur E n 2 un E n 1 ir elektronu pārejas enerģijas. elektroniskie stāvokļi, starp kuriem notika pāreja. Šī parametra augstāko vērtību dod K sērijas pārejas no augstākajiem iespējamajiem smago elementu atomu līmeņiem. Bet šo līniju intensitāte (pīķa augstumi) ir vismazākā, jo tās ir vismazākās.

Ja nepietiekama sprieguma uz elektrodiem dēļ cietais elektrons nevar sasniegt K līmeni, tas L līmenī veido vakanci, un veidojas mazāk enerģiska L sērija ar garākiem viļņu garumiem. Līdzīgi dzimst arī turpmākās sērijas.

Turklāt, kad vakance ir aizpildīta, elektroniskās pārejas rezultātā augšējā apvalkā parādās jauna vakance. Tas rada apstākļus nākamās sērijas ģenerēšanai. Elektroniskās vakances virzās augstāk no līmeņa uz līmeni, un atoms izstaro raksturīgu spektrālo sēriju kaskādi, vienlaikus paliekot jonizēts.

Raksturīgo spektru smalkā struktūra

Raksturīgā rentgena starojuma atomu rentgena spektrus raksturo smalka struktūra, kas, tāpat kā optiskajos spektros, izpaužas līniju šķelšanā.

Smalkā struktūra ir saistīta ar to, ka enerģijas līmenis - elektronu apvalks - ir cieši izvietotu komponentu kopums - apakščaulas. Lai raksturotu apakščaulas, tiek ieviests vēl viens iekšējais kvantu skaitlis j, kas atspoguļo elektrona iekšējo un orbitālo magnētisko momentu mijiedarbību.

Saistībā ar spin-orbītas mijiedarbības ietekmi atoma enerģētiskā struktūra kļūst sarežģītāka, un rezultātā raksturīgajam rentgena starojumam ir spektrs, ko raksturo šķeltas līnijas ar ļoti cieši izvietotiem elementiem.

Smalkas struktūras elementus parasti apzīmē ar papildu digitālajiem indeksiem.

Raksturīgajam rentgena starojumam piemīt iezīme, kas atspoguļojas tikai smalkajā spektra struktūrā. Elektrona pāreja uz zemāko enerģijas līmeni nenotiek no pārklājošā līmeņa apakšējās daļas. Šādam notikumam ir niecīga iespējamība.

Rentgenstaru izmantošana spektrometrijā

Šis starojums, pateicoties tā pazīmēm, kas aprakstītas Moseleja likumā, ir dažādu rentgenstaru spektrālo metožu pamatā vielu analīzei. Analizējot rentgenstaru spektru, tiek izmantota vai nu starojuma difrakcija ar kristāliem (viļņu dispersijas metode), vai detektori, kas ir jutīgi pret absorbēto rentgena fotonu enerģiju (enerģijas izkliedēšanas metode). Lielākā daļa elektronu mikroskopu ir aprīkoti ar kāda veida rentgena spektrometrijas stiprinājumu.

Viļņu dispersijas spektrometriju raksturo īpaši augsta precizitāte. Ar speciālu filtru palīdzību tiek atlasīti visintensīvākie spektra pīķi, pateicoties kuriem ir iespējams iegūt gandrīz monohromatisku starojumu ar precīzi zināmu frekvenci. Anoda materiāls tiek izvēlēts ļoti rūpīgi, lai nodrošinātu, ka tiek iegūts vajadzīgās frekvences monohromatisks stars. Tā difrakcija uz pētāmās vielas kristāliskā režģa dod iespēju ar lielu precizitāti izpētīt režģa uzbūvi. Šo metodi izmanto arī DNS un citu sarežģītu molekulu izpētē.

Viena no raksturīgā rentgena starojuma pazīmēm tiek ņemta vērā arī gamma spektrometrijā. Tā ir raksturīgo pīķu augstā intensitāte. Gamma spektrometri izmanto svina ekranējumu pret ārējo fona starojumu, kas traucē mērījumiem. Bet svins, absorbējot gamma kvantus, piedzīvo iekšēju jonizāciju, kā rezultātā tas aktīvi izstaro rentgena diapazonā. Papildu kadmija ekranējums tiek izmantots, lai absorbētu svina raksturīgā rentgena starojuma intensīvos maksimumus. Tas savukārt ir jonizēts un arī izstaro rentgenstarus. Lai neitralizētu kadmijam raksturīgās virsotnes, tiek izmantots trešais ekranēšanas slānis - varš, kura rentgena maksimumi atrodas ārpus gamma spektrometra darbības frekvenču diapazona.

Spektrometrijā izmanto gan bremsstrahlung, gan raksturīgos rentgena starus. Tādējādi vielu analīzē tiek pētīti dažādu vielu nepārtrauktu rentgenstaru absorbcijas spektri.

Rentgenstarus 1895. gadā nejauši atklāja slavenais vācu fiziķis Vilhelms Rentgens. Viņš pētīja katoda starus zema spiediena gāzizlādes caurulē ar augstu spriegumu starp tās elektrodiem. Neskatoties uz to, ka caurule atradās melnajā kastē, Rentgens pamanīja, ka fluorescējošais ekrāns, kas nejauši atradās tuvumā, spīd katru reizi, kad caurule darbojās. Caurule izrādījās starojuma avots, kas spēj iekļūt papīrā, kokā, stiklā un pat puscentimetru biezā alumīnija plāksnē.

Rentgena starojums noteica, ka gāzizlādes caurule ir jauna veida neredzama starojuma avots ar augstu caurlaidības spēku. Zinātnieks nevarēja noteikt, vai šis starojums ir daļiņu vai viļņu straume, un nolēma to nosaukt par rentgena stariem. Vēlāk tos sauca par rentgena stariem.

Tagad ir zināms, ka rentgenstari ir elektromagnētiskā starojuma veids, kura viļņa garums ir īsāks nekā ultravioletajiem elektromagnētiskajiem viļņiem. Rentgenstaru viļņa garums svārstās no 70 nm līdz 10-5 nm. Jo īsāks ir rentgenstaru viļņa garums, jo lielāka ir to fotonu enerģija un lielāka iespiešanās spēja. Rentgenstari ar salīdzinoši lielu viļņa garumu (vairāk nekā 10 nm), tiek saukti mīksts. Viļņa garums 1-10 nm raksturo grūts rentgenstari. Viņiem ir liela caurlaidības spēja.

Rentgenstaru iegūšana

Rentgenstari rodas, kad ātri elektroni jeb katoda stari saduras ar zemspiediena izlādes caurules sienām vai anodu. Mūsdienīga rentgena caurule ir evakuēts stikla trauks ar katodu un anodu, kas atrodas tajā. Potenciālā atšķirība starp katodu un anodu (antikatodu) sasniedz vairākus simtus kilovoltu. Katods ir volframa kvēldiegs, ko silda ar elektrisko strāvu. Tas izraisa elektronu emisiju no katoda termoizplūdes rezultātā. Elektronus paātrina rentgenstaru lampā esošais elektriskais lauks. Tā kā mēģenē ir ļoti mazs gāzes molekulu skaits, elektroni praktiski nezaudē savu enerģiju ceļā uz anodu. Viņi sasniedz anodu ar ļoti lielu ātrumu.

Rentgenstari vienmēr rodas, ja anoda materiāls aizkavē liela ātruma elektronus. Lielākā daļa elektronu enerģijas tiek izkliedēta siltuma veidā. Tāpēc anods ir mākslīgi jāatdzesē. Rentgena caurulē esošajam anodam jābūt izgatavotam no metāla ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, no volframa.

Daļa no enerģijas, kas neizkliedējas siltuma veidā, tiek pārvērsta elektromagnētisko viļņu enerģijā (rentgena staros). Tādējādi rentgenstari ir anoda materiāla elektronu bombardēšanas rezultāts. Ir divu veidu rentgenstari: bremsstrahlung un raksturīgie.

Bremsstrahlung rentgens

Bremsstrahlung rodas, kad elektronus, kas pārvietojas lielā ātrumā, palēnina anoda atomu elektriskie lauki. Atsevišķu elektronu palēninājuma apstākļi nav vienādi. Rezultātā dažādas to kinētiskās enerģijas daļas pāriet rentgenstaru enerģijā.

Bremsstrahlung spektrs nav atkarīgs no anoda materiāla rakstura. Kā zināms, rentgena fotonu enerģija nosaka to frekvenci un viļņa garumu. Tāpēc bremsstrahlung rentgenstari nav vienkrāsaini. To raksturo dažādi viļņu garumi, kurus var attēlot nepārtraukts (nepārtraukts) spektrs.

Rentgenstaru enerģija nevar būt lielāka par to elektronu kinētisko enerģiju, kas tos veido. Īsākais rentgena viļņa garums atbilst palēnināto elektronu maksimālajai kinētiskajai enerģijai. Jo lielāka ir potenciāla atšķirība rentgena caurulē, jo mazākus rentgena viļņu garumus var iegūt.

Raksturīgi rentgena stari

Raksturīgais rentgena starojums nav nepārtraukts, bet gan līniju spektrs. Šāda veida starojums rodas, kad ātrs elektrons, sasniedzot anodu, iekļūst atomu iekšējās orbitālēs un izsit vienu no to elektroniem. Rezultātā parādās brīva telpa, kuru var aizpildīt cits elektrons, kas nolaižas no vienas no augšējām atomu orbitālēm. Šī elektrona pāreja no augstāka uz zemāku enerģijas līmeni izraisa noteikta diskrēta viļņa garuma rentgena starus. Tāpēc raksturīgais rentgena starojums ir līniju spektrs. Raksturīgo starojuma līniju frekvence ir pilnībā atkarīga no anoda atomu elektronu orbitāļu struktūras.

Dažādu ķīmisko elementu raksturīgā starojuma spektrālajām līnijām ir vienāda forma, jo to iekšējo elektronu orbītu struktūra ir identiska. Bet to viļņa garums un frekvence ir saistīta ar enerģijas atšķirībām starp smago un vieglo atomu iekšējām orbitālēm.

Raksturīgā rentgenstaru spektra līniju frekvence mainās atbilstoši metāla atomu skaitam, un to nosaka Moseley vienādojums: v 1/2 = A(Z-B), kur Z- ķīmiskā elementa atomu skaits, A un B- konstantes.

Primārie fiziskie mehānismi rentgenstaru mijiedarbībai ar vielu

Primāro mijiedarbību starp rentgena stariem un vielu raksturo trīs mehānismi:

1. Sakarīga izkliede. Šis mijiedarbības veids rodas, ja rentgena fotoniem ir mazāka enerģija nekā elektronu saistīšanās enerģija ar atoma kodolu. Šajā gadījumā fotona enerģija nav pietiekama, lai atbrīvotu elektronus no matērijas atomiem. Fotons netiek absorbēts atomā, bet maina izplatīšanās virzienu. Šajā gadījumā rentgena starojuma viļņa garums paliek nemainīgs.

2. Fotoelektriskais efekts (fotoelektriskais efekts). Kad rentgena fotons sasniedz vielas atomu, tas var izsist vienu no elektroniem. Tas notiek, kad fotona enerģija pārsniedz elektrona saistīšanās enerģiju ar kodolu. Šajā gadījumā fotons tiek absorbēts, un elektrons tiek atbrīvots no atoma. Ja fotons nes vairāk enerģijas, nekā nepieciešams elektrona atbrīvošanai, atlikušo enerģiju tas nodos atbrīvotajam elektronam kinētiskās enerģijas veidā. Šī parādība, ko sauc par fotoelektrisko efektu, rodas, ja tiek absorbēti relatīvi zemas enerģijas rentgena stari.

Atoms, kas zaudē vienu no saviem elektroniem, kļūst par pozitīvu jonu. Brīvo elektronu kalpošanas laiks ir ļoti īss. Tos absorbē neitrālie atomi, kas pārvēršas negatīvos jonos. Fotoelektriskā efekta rezultāts ir intensīva vielas jonizācija.

Ja rentgena fotona enerģija ir mazāka par atomu jonizācijas enerģiju, tad atomi pāriet ierosinātā stāvoklī, bet netiek jonizēti.

3. Nesakarīga izkliede (Compton efekts). Šo efektu atklāja amerikāņu fiziķis Komptons. Tas rodas, ja viela absorbē maza viļņa garuma rentgena starus. Šādu rentgenstaru fotonu enerģija vienmēr ir lielāka par vielas atomu jonizācijas enerģiju. Komptona efekts ir augstas enerģijas rentgena fotona mijiedarbības rezultāts ar vienu no elektroniem atoma ārējā apvalkā, kuram ir salīdzinoši vāja saite ar atoma kodolu.

Augstas enerģijas fotons daļu savas enerģijas nodod elektronam. Uzbudinātais elektrons tiek atbrīvots no atoma. Pārējā sākotnējā fotona enerģija tiek izstarota kā rentgena fotons ar garāku viļņa garumu noteiktā leņķī pret primārā fotona virzienu. Sekundārais fotons var jonizēt citu atomu utt. Šīs izmaiņas rentgenstaru virzienā un viļņa garumā ir pazīstamas kā Komptona efekts.

Dažas sekas rentgenstaru mijiedarbībai ar vielu

Kā minēts iepriekš, rentgena stari spēj ierosināt vielas atomus un molekulas. Tas var izraisīt noteiktu vielu (piemēram, cinka sulfāta) fluorescenci. Ja paralēls rentgena staru kūlis ir vērsts uz necaurspīdīgiem objektiem, tad var novērot, kā stari iet caur objektu, novietojot ekrānu, kas pārklāts ar fluorescējošu vielu.

Fluorescējošo ekrānu var aizstāt ar fotofilmu. Rentgenstariem ir tāda pati ietekme uz fotogrāfisko emulsiju kā gaismai. Abas metodes tiek izmantotas praktiskajā medicīnā.

Vēl viena svarīga rentgenstaru ietekme ir to jonizējošā spēja. Tas ir atkarīgs no to viļņa garuma un enerģijas. Šis efekts nodrošina rentgenstaru intensitātes mērīšanas metodi. Rentgena stariem izejot cauri jonizācijas kamerai, rodas elektriskā strāva, kuras stiprums ir proporcionāls rentgenstaru intensitātei.

Rentgenstaru absorbcija matērijā

Kad rentgena stari iziet cauri matērijai, to enerģija samazinās absorbcijas un izkliedes dēļ. Paralēlā rentgenstaru staru kūļa intensitātes pavājināšanās, kas iet caur vielu, tiek noteikta ar Bouguer likumu: I = I0 e -μd, kur es 0- rentgena starojuma sākotnējā intensitāte; es ir rentgenstaru intensitāte, kas šķērso vielas slāni, d- absorbējošā slāņa biezums , μ - lineārais vājinājuma koeficients. Tas ir vienāds ar divu lielumu summu: t- lineārās absorbcijas koeficients un σ - lineārās izkliedes koeficients: μ = τ+ σ

Eksperimentos tika konstatēts, ka lineārās absorbcijas koeficients ir atkarīgs no vielas atomu skaita un rentgenstaru viļņa garuma:

τ = kρZ 3 λ 3, kur k- tiešās proporcionalitātes koeficients, ρ - vielas blīvums, Z ir elementa atomu numurs, λ ir rentgenstaru viļņa garums.

Atkarība no Z ir ļoti svarīga no praktiskā viedokļa. Piemēram, kauliem, kas sastāv no kalcija fosfāta, absorbcijas koeficients ir gandrīz 150 reizes lielāks nekā mīksto audu absorbcijas koeficients ( Z=20 kalcijam un Z=15 fosforam). Kad rentgena stari iziet cauri cilvēka ķermenim, kauli skaidri izceļas uz muskuļu, saistaudu u.c. fona.

Ir zināms, ka gremošanas orgāniem ir tāds pats absorbcijas koeficients kā citiem mīkstajiem audiem. Bet barības vada, kuņģa un zarnu ēnu var atšķirt, ja pacients uzņem kontrastvielu - bārija sulfātu ( Z= 56 bārijam). Bārija sulfāts ir ļoti necaurspīdīgs rentgena stariem, un to bieži izmanto kuņģa-zarnu trakta rentgena izmeklējumiem. Dažus necaurspīdīgus maisījumus ievada asinsritē, lai pārbaudītu asinsvadu, nieru un tamlīdzīgu stāvokli. Šajā gadījumā kā kontrastvielu izmanto jodu, kura atomu skaits ir 53.

Rentgenstaru absorbcijas atkarība no Z izmanto arī aizsardzībai pret iespējamo rentgenstaru kaitīgo ietekmi. Šim nolūkam tiek izmantots svins, vērtība Z par kuru ir 82.

Rentgenstaru izmantošana medicīnā

Iemesls rentgenstaru izmantošanai diagnostikā bija to augstā iespiešanās spēja, viena no galvenajām Rentgena īpašības. Atklāšanas pirmajās dienās rentgena starus galvenokārt izmantoja, lai pārbaudītu kaulu lūzumus un atrastu svešķermeņus (piemēram, lodes) cilvēka ķermenī. Pašlaik tiek izmantotas vairākas diagnostikas metodes, izmantojot rentgena starus (rentgena diagnostika).

Fluoroskopija . Rentgena ierīce sastāv no rentgenstaru avota (rentgenstaru lampas) un dienasgaismas ekrāna. Pēc tam, kad rentgenstari iziet cauri pacienta ķermenim, ārsts novēro pacienta ēnu attēlu. Starp ekrānu un ārsta acīm jāuzstāda svina logs, lai pasargātu ārstu no rentgenstaru kaitīgās ietekmes. Šī metode ļauj izpētīt dažu orgānu funkcionālo stāvokli. Piemēram, ārsts var tieši novērot plaušu kustības, kontrastvielas pāreju caur kuņģa-zarnu traktu. Šīs metodes trūkumi ir nepietiekami kontrasta attēli un salīdzinoši lielas starojuma devas, ko pacients saņem procedūras laikā.

Fluorogrāfija . Šī metode sastāv no pacienta ķermeņa daļas fotografēšanas. Tos parasti izmanto pacientu iekšējo orgānu stāvokļa iepriekšējai izpētei, izmantojot nelielas rentgenstaru devas.

Radiogrāfija. (rentgena radiogrāfija). Šī ir rentgena staru izpētes metode, kuras laikā attēls tiek ierakstīts fotofilmā. Fotogrāfijas parasti tiek uzņemtas divās perpendikulārās plaknēs. Šai metodei ir dažas priekšrocības. Rentgena fotogrāfijās ir vairāk detaļu nekā attēlā uz fluorescējošā ekrāna, un tāpēc tās ir informatīvākas. Tos var saglabāt turpmākai analīzei. Kopējā starojuma deva ir mazāka nekā fluoroskopijā izmantotā.

Datorizētā rentgena tomogrāfija . Datorizētais aksiālais tomogrāfiskais skeneris ir modernākā rentgendiagnostikas iekārta, kas ļauj iegūt skaidru priekšstatu par jebkuru cilvēka ķermeņa daļu, arī orgānu mīkstajiem audiem.

Pirmās paaudzes datortomogrāfijas (CT) skeneri ietver īpašu rentgena cauruli, kas ir piestiprināta cilindriskam rāmim. Uz pacientu tiek vērsts plāns rentgenstaru stars. Rāmja pretējā pusē ir piestiprināti divi rentgena detektori. Pacients atrodas rāmja centrā, kas var griezties par 180 0 ap viņa ķermeni.

Rentgena stars iet cauri nekustīgam objektam. Detektori uztver un reģistrē dažādu audu absorbcijas vērtības. Ieraksti tiek veikti 160 reizes, kamēr rentgena caurule lineāri pārvietojas pa skenēto plakni. Pēc tam rāmi pagriež par 1 0 un procedūru atkārto. Ierakstīšana turpinās, līdz kadrs pagriežas par 180 0 . Katrs detektors pētījuma laikā ieraksta 28800 kadrus (180x160). Informāciju apstrādā dators, un ar speciālas datorprogrammas palīdzību tiek veidots izvēlētā slāņa attēls.

Otrās paaudzes CT izmanto vairākus rentgena starus un līdz 30 rentgena detektoriem. Tas ļauj paātrināt izpētes procesu līdz 18 sekundēm.

Trešās paaudzes CT izmanto jaunu principu. Plašs rentgena staru kūlis ventilatora formā aptver pētāmo objektu, un rentgena starojumu, kas izgājis caur ķermeni, fiksē vairāki simti detektoru. Pētījumam nepieciešamais laiks tiek samazināts līdz 5-6 sekundēm.

CT ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar iepriekšējām rentgena diagnostikas metodēm. To raksturo augsta izšķirtspēja, kas ļauj atšķirt smalkas izmaiņas mīkstajos audos. CT ļauj atklāt tādus patoloģiskus procesus, kurus nevar noteikt ar citām metodēm. Turklāt CT izmantošana ļauj samazināt rentgena starojuma devu, ko pacienti saņem diagnostikas procesā.