Właściwości i zastosowania promieniowania rentgenowskiego. Charakterystyczne promienie rentgenowskie

• Im wyższe napięcie zostanie przyłożone do biegunów lampy, tym silniejsza pojawia się na nich różnica potencjałów, a zatem energia kinetyczna poruszających się elektronów będzie wyższa. Napięcie na rurze determinuje prędkość elektronów i siłę ich zderzenia z materiałem anodowym, a zatem napięcie określa długość fali powstałego promieniowania rentgenowskiego.

Klasyfikacja lamp rentgenowskich

1. Po wcześniejszym umówieniu
1. Diagnostyczny
2. Terapeutyczny
3. Do analizy strukturalnej
4. Do transiluminacji
2. Przez projekt
1. Przez skupienie

• Jednoogniskowe (jedna spirala na katodzie i jedna ogniskowa na anodzie)
• Dwuogniskowe (dwie spirale o różnych rozmiarach na katodzie i dwa ogniska na anodzie)

1. Według rodzaju anody

• Stacjonarny (stały)
• Obracanie

Promienie rentgenowskie są wykorzystywane nie tylko do celów radiodiagnostycznych, ale także terapeutycznych. Jak wspomniano powyżej, zdolność promieniowania rentgenowskiego do hamowania wzrostu komórek nowotworowych umożliwia zastosowanie go w radioterapii chorób onkologicznych. Oprócz zastosowania w medycynie promieniowanie rentgenowskie znalazło szerokie zastosowanie w dziedzinie inżynierii i techniki, materiałoznawstwa, krystalografii, chemii i biochemii: na przykład można zidentyfikować wady strukturalne w różnych produktach (szyny, spoiny itp.) za pomocą promieniowania rentgenowskiego. Rodzaj takich badań nazywa się defektoskopią. A na lotniskach, dworcach kolejowych i innych zatłoczonych miejscach introskopy telewizyjne rentgenowskie są aktywnie wykorzystywane do skanowania bagażu podręcznego i bagażu w celach bezpieczeństwa.

W zależności od rodzaju anody lampy rentgenowskie różnią się konstrukcją. Ze względu na to, że 99% energii kinetycznej elektronów zamieniane jest na energię cieplną, podczas pracy lampy anoda ulega znacznemu nagrzaniu - czuły cel wolframowy często się wypala. Anoda jest chłodzona w nowoczesnych lampach rentgenowskich poprzez jej obracanie. Obrotowa anoda ma kształt dysku, który równomiernie rozprowadza ciepło na całej swojej powierzchni, zapobiegając miejscowemu przegrzaniu tarczy wolframowej.

Konstrukcja lamp rentgenowskich również różni się w skupieniu. Ognisko - odcinek anody, na którym generowana jest pracująca wiązka promieniowania rentgenowskiego. Jest podzielony na rzeczywistą ogniskową i efektywną ogniskową ( Ryż. 12). Ze względu na kąt anody efektywna ogniskowa jest mniejsza od rzeczywistej. W zależności od rozmiaru obszaru obrazu stosowane są różne rozmiary ogniska. Im większy obszar obrazu, tym szersza musi być ogniskowa, aby pokryć cały obszar obrazu. Jednak mniejsza ogniskowa zapewnia lepszą wyrazistość obrazu. Dlatego przy wytwarzaniu małych obrazów stosuje się krótkie włókno i elektrony są kierowane na niewielki obszar tarczy anodowej, tworząc mniejszą ogniskową.

Ryż. 9 - lampa rentgenowska ze stacjonarną anodą.
Ryż. 10 - Lampa rentgenowska z obrotową anodą.
Ryż. 11 - Urządzenie z lampą rentgenowską z obrotową anodą.
Ryż. 12 to schemat powstawania rzeczywistego i skutecznego ogniska.

Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością oddziałują z materią. Gdy elektrony zderzają się z atomami dowolnej substancji, szybko tracą swoją energię kinetyczną. W tym przypadku większość jest zamieniana na ciepło, a niewielka część, zwykle mniej niż 1%, zamieniana jest na energię rentgenowską. Energia ta jest uwalniana w postaci kwantów - cząstek zwanych fotonami, które mają energię, ale mają zerową masę spoczynkową. Fotony rentgenowskie różnią się energią, która jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. Dzięki konwencjonalnej metodzie uzyskiwania promieni rentgenowskich uzyskuje się szeroki zakres długości fal, który nazywa się widmem rentgenowskim. Widmo zawiera wyraźne składniki, jak pokazano na ryc. jeden.

Ryż. jeden. KONWENCJONALNE SPEKTRUM RTG składa się z widma ciągłego (continuum) i charakterystycznych linii (ostre piki). Linie Kia i Kib powstają w wyniku interakcji przyspieszonych elektronów z elektronami wewnętrznej powłoki K.

Szerokie „kontinuum” nazywa się widmem ciągłym lub białym promieniowaniem. Nałożone na nią ostre piki nazywane są charakterystycznymi liniami emisyjnymi promieniowania rentgenowskiego. Chociaż całe widmo jest wynikiem zderzeń elektronów z materią, mechanizmy pojawiania się jego szerokiej części i linii są różne. Substancja składa się z dużej liczby atomów, z których każdy ma jądro otoczone powłokami elektronowymi, a każdy elektron w powłoce atomu danego pierwiastka zajmuje pewien dyskretny poziom energii. Zwykle te powłoki lub poziomy energetyczne są oznaczane symbolami K, L, M itd., zaczynając od powłoki znajdującej się najbliżej jądra. Kiedy padający elektron o wystarczająco dużej energii zderza się z jednym z elektronów związanych z atomem, wybija ten elektron z powłoki. Pustą przestrzeń zajmuje inny elektron z powłoki, co odpowiada wyższej energii. Ten ostatni oddaje nadmiar energii, emitując foton rentgenowski. Ponieważ elektrony powłoki mają dyskretne wartości energii, powstałe fotony rentgenowskie również mają dyskretne widmo. Odpowiada to ostrym pikom dla pewnych długości fal, których konkretne wartości zależą od elementu docelowego. Charakterystyczne linie tworzą serie K-, L- i M-w zależności od tego, z której powłoki (K, L lub M) usunięto elektron. Zależność między długością fali promieniowania rentgenowskiego a liczbą atomową nazywa się prawem Moseleya (ryc. 2).

Ryż. 2. Długość fali CHARAKTERYSTYCZNEGO PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO emitowanego przez pierwiastki chemiczne zależy od liczby atomowej pierwiastka. Krzywa odpowiada prawu Moseleya: im większa liczba atomowa pierwiastka, tym krótsza długość fali charakterystycznej linii.

Jeśli elektron zderza się ze stosunkowo ciężkim jądrem, to zwalnia, a jego energia kinetyczna jest uwalniana w postaci fotonu rentgenowskiego o mniej więcej takiej samej energii. Jeśli przeleci obok jądra, straci tylko część swojej energii, a reszta zostanie przeniesiona na inne atomy, które staną mu na drodze. Każdy akt utraty energii prowadzi do emisji fotonu o pewnej energii. Pojawia się ciągłe widmo rentgenowskie, którego górna granica odpowiada energii najszybszego elektronu. Jest to mechanizm powstawania widma ciągłego, a maksymalna energia (lub minimalna długość fali), która wyznacza granicę widma ciągłego, jest proporcjonalna do napięcia przyspieszającego, które określa prędkość padających elektronów. Linie spektralne charakteryzują materiał bombardowanego celu, natomiast widmo ciągłe zależy od energii wiązki elektronów i praktycznie nie zależy od materiału celu.

Promienie rentgenowskie można uzyskać nie tylko przez bombardowanie elektronami, ale także naświetlając cel promieniami rentgenowskimi z innego źródła. W tym przypadku jednak większość energii wiązki padającej trafia do charakterystycznego widma rentgenowskiego, a bardzo mała część przypada na widmo ciągłe. Oczywiście padająca wiązka promieniowania rentgenowskiego musi zawierać fotony, których energia jest wystarczająca do wzbudzenia charakterystycznych linii bombardowanego elementu. Wysoki procent energii przypadający na widmo charakterystyczne sprawia, że ​​ta metoda wzbudzania promieniami rentgenowskimi jest wygodna do badań naukowych.

Lampy rentgenowskie. Aby uzyskać promieniowanie rentgenowskie w wyniku oddziaływania elektronów z materią, konieczne jest posiadanie źródła elektronów, środków do przyspieszania ich do dużych prędkości oraz tarczy zdolnej wytrzymać bombardowanie elektronami i wytworzyć promieniowanie rentgenowskie o wymagana intensywność. Urządzenie, które ma to wszystko, nazywa się lampą rentgenowską. Wcześni odkrywcy używali lamp „głębokiej próżni”, takich jak dzisiejsze lampy wyładowcze. Próżnia w nich nie była zbyt duża.

Rurki wyładowcze zawierają niewielką ilość gazu, a gdy do elektrod rury przyłożona jest duża różnica potencjałów, atomy gazu zamieniają się w jony dodatnie i ujemne. Dodatnie poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody) i padając na nią wybijają z niej elektrony, a te z kolei zbliżają się do elektrody dodatniej (anody) i bombardując ją, tworzą strumień fotonów rentgenowskich .

We współczesnej lampie rentgenowskiej opracowanej przez Coolidge'a (rys. 3) źródłem elektronów jest podgrzana do wysokiej temperatury katoda wolframowa. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości dzięki dużej różnicy potencjałów między anodą (lub antykatodą) a katodą. Ponieważ elektrony muszą dotrzeć do anody bez zderzenia z atomami, wymagana jest bardzo wysoka próżnia, dla której rura musi być dobrze opróżniona. Zmniejsza to również prawdopodobieństwo jonizacji pozostałych atomów gazu i związanych z nimi prądów bocznych.

Ryż. 3. RURKA RTG COOLIDGE. Bombardowana elektronami antykatoda wolframowa emituje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Przekrój wiązki promieniowania rentgenowskiego jest mniejszy niż rzeczywisty obszar napromieniowany. 1 - wiązka elektronów; 2 - katoda z elektrodą skupiającą; 3 - szklana powłoka (rurka); 4 - cel wolframowy (antykatoda); 5 - żarnik katodowy; 6 - faktycznie napromieniowany obszar; 7 - skuteczne ognisko; 8 - anoda miedziana; 9 - okno; 10 - rozproszone promienie rentgenowskie.

Elektrony są skupiane na anodzie przez specjalnie ukształtowaną elektrodę otaczającą katodę. Elektroda ta nazywana jest elektrodą ogniskującą i wraz z katodą tworzy „elektroniczny reflektor” lampy. Anoda poddawana bombardowaniu elektronami musi być wykonana z materiału ogniotrwałego, ponieważ większość energii kinetycznej bombardujących elektronów jest zamieniana na ciepło. Ponadto pożądane jest, aby anoda była wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej, ponieważ wydajność promieniowania rentgenowskiego wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Najczęściej wybieranym materiałem anodowym jest wolfram, którego liczba atomowa wynosi 74.

Konstrukcja lamp rentgenowskich może się różnić w zależności od zastosowania i wymagań.

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Federalna Agencja ds. Edukacji

GOU VPO SUSU

Katedra Chemii Fizycznej

na kursie KSE: „Promieniowanie rentgenowskie”

Zakończony:

Naumova Daria Gennadievna

Sprawdzony:

profesor nadzwyczajny, K.T.N.

Tanklewskaja N.M.

Czelabińsk 2010

Wstęp

Rozdział I. Odkrycie promieni rentgenowskich

Paragon fiskalny

Interakcja z materią

Wpływ biologiczny

Rejestracja

Podanie

Jak wykonuje się prześwietlenie

naturalne promienie rentgenowskie

Rozdział II. Radiografia

Podanie

Metoda akwizycji obrazu

Korzyści z radiografii

Wady radiografii

Fluoroskopia

Zasada odbioru

Korzyści z fluoroskopii

Wady fluoroskopii

Technologie cyfrowe we fluoroskopii

Metoda skanowania wielowierszowego

Wniosek

Lista wykorzystanej literatury

Wstęp

Promieniowanie rentgenowskie - fale elektromagnetyczne, których energia fotonów jest określona przez zakres energii od ultrafioletu do promieniowania gamma, co odpowiada zakresowi długości fali od 10-4 do 10² Å (od 10-14 do 10-8 m).

Promienie rentgenowskie, podobnie jak światło widzialne, powodują zaczernienie kliszy fotograficznej. Ta właściwość ma ogromne znaczenie dla medycyny, przemysłu i badań naukowych. Przechodząc przez badany obiekt, a następnie padając na błonę, promieniowanie rentgenowskie przedstawia na nim jego wewnętrzną strukturę. Ponieważ zdolność przenikania promieniowania rentgenowskiego jest różna dla różnych materiałów, części obiektu, które są dla niego mniej przezroczyste, dają jaśniejsze obszary na zdjęciu niż te, przez które promieniowanie dobrze przenika. Tym samym tkanki kostne są mniej przezroczyste dla promieni rentgenowskich niż tkanki, z których składa się skóra i narządy wewnętrzne. Dlatego na radiogramie kości zostaną wskazane jako jaśniejsze obszary, a miejsce złamania, które jest bardziej przezroczyste dla promieniowania, można dość łatwo wykryć. Obrazowanie rentgenowskie jest również wykorzystywane w stomatologii do wykrywania próchnicy i ropni w korzeniach zębów, a także w przemyśle do wykrywania pęknięć w odlewach, tworzywach sztucznych i gumach.

Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w chemii do analizy związków oraz w fizyce do badania struktury kryształów. Wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodząca przez związek chemiczny powoduje charakterystyczne promieniowanie wtórne, którego analiza spektroskopowa pozwala chemikowi określić skład związku. Padając na substancję krystaliczną, wiązka promieniowania rentgenowskiego jest rozpraszana przez atomy kryształu, dając wyraźny, regularny wzór plam i pasków na kliszy fotograficznej, co pozwala na ustalenie wewnętrznej struktury kryształu.

Zastosowanie promieni rentgenowskich w leczeniu raka opiera się na tym, że zabija komórki rakowe. Może jednak mieć również niepożądany wpływ na normalne komórki. Dlatego przy korzystaniu z promieni rentgenowskich należy zachować szczególną ostrożność.

Rozdział I. Odkrycie promieni rentgenowskich

Odkrycie promieni rentgenowskich przypisuje się Wilhelmowi Conradowi Roentgenowi. Jako pierwszy opublikował artykuł na temat promieni rentgenowskich, które nazwał promieniami rentgenowskimi (x-ray). Artykuł Roentgena zatytułowany „O nowym typie promieni” został opublikowany 28 grudnia 1895 r. w czasopiśmie Towarzystwa Fizyko-Medycznego Würzburga. Uważa się jednak, że udowodniono, że promienie rentgenowskie zostały już wcześniej uzyskane. Lampa elektronopromieniowa, którą Roentgen użył w swoich eksperymentach, została opracowana przez J. Hittorfa i W. Kruksa. Ta tuba wytwarza promienie rentgenowskie. Zostało to pokazane w eksperymentach Crookesa, a od 1892 w eksperymentach Heinricha Hertza i jego ucznia Philippa Lenarda poprzez czernienie klisz fotograficznych. Jednak żaden z nich nie zdawał sobie sprawy ze znaczenia swojego odkrycia i nie opublikował wyników. Również Nikola Tesla, począwszy od 1897 roku, eksperymentował z lampami katodowymi, otrzymywał promieniowanie rentgenowskie, ale nie opublikował swoich wyników.

Z tego powodu Roentgen nie wiedział o dokonanych przed nim odkryciach i odkrył promienie, nazwane później jego imieniem, niezależnie - obserwując fluorescencję zachodzącą podczas pracy lampy elektronopromieniowej. Roentgen badał promienie rentgenowskie przez nieco ponad rok (od 8 listopada 1895 do marca 1897) i opublikował tylko trzy stosunkowo niewielkie artykuły na ich temat, ale dostarczyły one tak wyczerpującego opisu nowych promieni, że setki artykułów jego zwolenników, publikowane w ciągu 12 lat, nie mogły ani dodać, ani zmienić niczego istotnego. Roentgen, który stracił zainteresowanie promieniami rentgenowskimi, powiedział swoim kolegom: „Już wszystko napisałem, nie trać czasu”. Do sławy Roentgena przyczyniło się również słynne zdjęcie ręki żony, które opublikował w swoim artykule (patrz zdjęcie po prawej). Taka sława przyniosła Roentgenowi w 1901 roku pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a Komitet Nobla podkreślił praktyczne znaczenie jego odkrycia. W 1896 roku po raz pierwszy użyto nazwy „promienie rentgenowskie”. W niektórych krajach pozostaje stara nazwa - zdjęcia rentgenowskie. W Rosji promienie zaczęto nazywać „promieniem rentgenowskim” na sugestię studenta V.K. Roentgen - Abram Fiodorowicz Ioffe.

Pozycja w skali fal elektromagnetycznych

Zakresy energii promieni rentgenowskich i gamma pokrywają się w szerokim zakresie energii. Oba rodzaje promieniowania są promieniowaniem elektromagnetycznym i są równoważne dla tej samej energii fotonów. Różnica terminologiczna polega na sposobie występowania – promienie X są emitowane z udziałem elektronów (albo w atomach, albo w postaci wolnych), natomiast promieniowanie gamma jest emitowane w procesach odwzbudzania jąder atomowych. Fotony rentgenowskie mają energię od 100 eV do 250 keV, co odpowiada promieniowaniu o częstotliwości 3 1016 Hz do 6 1019 Hz i długości fali 0,005 - 10 nm (nie ma ogólnie przyjętej definicji dolnej granicy X -zakres promieni w skali długości fal). Miękkie promieniowanie rentgenowskie charakteryzuje się najniższą energią fotonów i częstotliwością promieniowania (i najdłuższą długością fali), podczas gdy twarde promieniowanie rentgenowskie ma najwyższą energię fotonów i częstotliwość promieniowania (i najkrótszą długość fali).

(Zdjęcie rentgenowskie (rentgenogram) ręki żony, wykonane przez V.K. Roentgena)

Paragon fiskalny

Promienie rentgenowskie powstają w wyniku silnego przyspieszania naładowanych cząstek (głównie elektronów) lub wysokoenergetycznych przejść w powłokach elektronowych atomów lub cząsteczek. Oba efekty są stosowane w lampach rentgenowskich, w których elektrony emitowane z gorącej katody są przyspieszane (promienie X nie są emitowane, ponieważ przyspieszenie jest zbyt małe) i uderzają w anodę, gdzie są gwałtownie spowalniane (promienie X są bremsstrahlung) i jednocześnie wybijają elektrony z wewnętrznych powłok elektronowych atomów metalu, z którego wykonana jest anoda. Puste przestrzenie w muszlach zajmują inne elektrony atomu. W tym przypadku promieniowanie rentgenowskie jest emitowane z pewną charakterystyką energetyczną materiału anodowego (promieniowanie charakterystyczne, częstotliwości określa prawo Moseleya:

gdzie Z jest liczbą atomową elementu anodowego, A i B są stałymi dla pewnej wartości głównej liczby kwantowej n powłoki elektronowej). Obecnie anody są wykonane głównie z ceramiki, a część, w którą trafiają elektrony, jest z molibdenu. W procesie przyspieszania-hamowania tylko 1% energii kinetycznej elektronu trafia na promieniowanie rentgenowskie, 99% energii zamienia się w ciepło.

Promienie rentgenowskie można również uzyskać w akceleratorach cząstek. tak zwane. Promieniowanie synchrotronowe występuje, gdy wiązka cząstek zostaje odchylona w polu magnetycznym, w wyniku czego doznają przyspieszenia w kierunku prostopadłym do ich ruchu. Promieniowanie synchrotronowe ma widmo ciągłe z górną granicą. Przy odpowiednio dobranych parametrach (natężenie pola magnetycznego i energia cząstek) promieniowanie rentgenowskie można uzyskać również w widmie promieniowania synchrotronowego.

Schematyczne przedstawienie lampy rentgenowskiej. X - promieniowanie rentgenowskie, K - katoda, A - anoda (czasami nazywana anodą), C - radiator, Uh - napięcie żarzenia katody, Ua - napięcie przyspieszające, Win - wlot chłodzenia wodą, Wout - wylot chłodzenia wodą (patrz x- rura promieniowa) .

Interakcja z materią

Współczynnik załamania prawie każdej substancji dla promieni rentgenowskich niewiele różni się od jedności. Konsekwencją tego jest brak materiału, z którego można wykonać soczewkę rentgenowską. Ponadto, gdy promienie rentgenowskie padają prostopadle do powierzchni, prawie nie są odbijane. Mimo to w optyce rentgenowskiej znaleziono metody konstruowania elementów optycznych dla promieni rentgenowskich.

Promienie rentgenowskie mogą przenikać materię, a różne substancje w różny sposób je pochłaniają. Absorpcja promieni rentgenowskich jest ich najważniejszą właściwością w fotografii rentgenowskiej. Natężenie promieni rentgenowskich maleje wykładniczo w zależności od drogi przebytej w warstwie pochłaniającej (I = I0e-kd, gdzie d jest grubością warstwy, współczynnik k jest proporcjonalny do Z3λ3, Z jest liczbą atomową pierwiastka, λ jest długość fali).

Absorpcja następuje w wyniku fotoabsorpcji i rozpraszania Comptona:

Fotoabsorpcja rozumiana jest jako proces wybijania elektronu z powłoki atomu przez foton, co wymaga, aby energia fotonu była większa od pewnej wartości minimalnej. Jeśli weźmiemy pod uwagę prawdopodobieństwo aktu absorpcji w zależności od energii fotonu, to po osiągnięciu określonej energii (prawdopodobieństwo) gwałtownie wzrasta do maksymalnej wartości. Przy wyższych energiach prawdopodobieństwo stale maleje. Z powodu tej zależności mówi się, że istnieje limit absorpcji. Miejsce elektronu wybitego w akcie absorpcji zajmuje inny elektron, podczas gdy emitowane jest promieniowanie o mniejszej energii fotonu, tzw. proces fluorescencji.

Promienie rentgenowskie odgrywają jedną z najważniejszych ról w badaniu i praktycznym wykorzystaniu zjawisk atomowych. Dzięki ich badaniom dokonano wielu odkryć i opracowano metody analizy substancji, które znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach. Tutaj rozważymy jeden z rodzajów promieni rentgenowskich - charakterystyczne promienie rentgenowskie.

Natura i właściwości promieni rentgenowskich

Promieniowanie rentgenowskie to zmiana stanu pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości rozchodzącego się w przestrzeni z prędkością około 300 000 km / s, czyli fal elektromagnetycznych. W skali zasięgu promieniowania elektromagnetycznego promienie rentgenowskie znajdują się w zakresie długości fal od około 10-8 do 5∙10-12 metrów, czyli o kilka rzędów wielkości krócej niż fale optyczne. Odpowiada to częstotliwościom od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz i energii od 10 eV do 250 keV, czyli od 1,6∙10 -18 do 4∙10 -14 J. Należy zauważyć, że granice zakresów częstotliwości promieniowanie elektromagnetyczne jest raczej konwencjonalne ze względu na ich nakładanie się.

Jest oddziaływaniem przyspieszonych cząstek naładowanych (wysokoenergetycznych elektronów) z polami elektrycznymi i magnetycznymi oraz z atomami materii.

Fotony rentgenowskie charakteryzują się wysokimi energiami oraz dużą mocą penetracji i jonizacji, szczególnie w przypadku twardych promieni rentgenowskich o długości fali poniżej 1 nanometra (10 -9 m).

Promienie X oddziałują z materią, jonizując jej atomy, w procesach efektu fotoelektrycznego (fotoabsorpcja) i rozpraszania niekoherentnego (Compton). W fotoabsorpcji foton promieniowania rentgenowskiego, pochłonięty przez elektron atomu, przekazuje mu energię. Jeśli jego wartość przekracza energię wiązania elektronu w atomie, to opuszcza atom. Rozpraszanie Comptona jest charakterystyczne dla twardszych (energetycznych) fotonów promieniowania rentgenowskiego. Część energii pochłoniętego fotonu jest zużywana na jonizację; w tym przypadku pod pewnym kątem do kierunku fotonu pierwotnego emitowany jest foton wtórny o niższej częstotliwości.

Rodzaje promieniowania rentgenowskiego. Bremsstrahlung

Aby uzyskać promienie, stosuje się szklane butelki próżniowe z umieszczonymi wewnątrz elektrodami. Różnica potencjałów między elektrodami musi być bardzo duża — do setek kilowoltów. Na katodzie wolframowej nagrzanej prądem następuje emisja termionowa, to znaczy emitowane są z niej elektrony, które przyśpieszone różnicą potencjałów bombardują anodę. W wyniku ich interakcji z atomami anody (czasami nazywanej anodą) powstają fotony rentgenowskie.

W zależności od tego, jaki proces prowadzi do narodzin fotonu, istnieją takie rodzaje promieniowania rentgenowskiego jak bremsstrahlung i charakterystyczne.

Elektrony, spotykając się z anodą, mogą zwolnić, to znaczy tracić energię w polach elektrycznych swoich atomów. Energia ta jest emitowana w postaci fotonów promieniowania rentgenowskiego. Takie promieniowanie nazywa się bremsstrahlung.

Oczywiste jest, że warunki hamowania będą różne dla poszczególnych elektronów. Oznacza to, że różne ilości ich energii kinetycznej są zamieniane na promieniowanie rentgenowskie. W rezultacie bremsstrahlung zawiera fotony o różnych częstotliwościach i odpowiednio długościach fal. Dlatego jego widmo jest ciągłe (ciągłe). Czasami z tego powodu jest również nazywany „białym” promieniowaniem rentgenowskim.

Energia fotonu bremsstrahlung nie może przekroczyć energii kinetycznej elektronu, który go generuje, tak że maksymalna częstotliwość (i najmniejsza długość fali) bremsstrahlung odpowiada największej wartości energii kinetycznej elektronów padających na anodę. Ta ostatnia zależy od różnicy potencjałów przyłożonej do elektrod.

Istnieje inny rodzaj prześwietlenia, który pochodzi z innego procesu. To promieniowanie nazywa się charakterystycznym i zajmiemy się nim bardziej szczegółowo.

Jak powstają charakterystyczne promienie rentgenowskie

Po dotarciu do antykatody szybki elektron może wniknąć do wnętrza atomu i wybić dowolny elektron z jednego z niższych orbitali, czyli przekazać mu energię wystarczającą do pokonania bariery potencjału. Jeśli jednak w atomie są wyższe poziomy energii zajmowane przez elektrony, opuszczone miejsce nie pozostanie puste.

Należy pamiętać, że struktura elektronowa atomu, jak każdy system energetyczny, dąży do minimalizacji energii. Wakat powstały w wyniku nokautu jest wypełniany elektronem z jednego z wyższych poziomów. Jego energia jest wyższa i zajmując niższy poziom promieniuje nadwyżką w postaci kwantu charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.

Struktura elektronowa atomu to dyskretny zbiór możliwych stanów energetycznych elektronów. W związku z tym fotony rentgenowskie emitowane podczas zastępowania wakatów elektronowych również mogą mieć tylko ściśle określone wartości energii, odzwierciedlające różnicę poziomów. W rezultacie charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo nie ciągłe, lecz liniowe. Takie widmo pozwala scharakteryzować substancję anody - stąd nazwa tych promieni. Właśnie ze względu na różnice spektralne jasne jest, co należy rozumieć przez bremsstrahlung i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.

Czasami nadmiar energii nie jest emitowany przez atom, ale jest zużywany na wybicie trzeciego elektronu. Ten proces – tak zwany efekt Augera – jest bardziej prawdopodobny, gdy energia wiązania elektronów nie przekracza 1 keV. Energia uwolnionego elektronu Augera zależy od struktury poziomów energetycznych atomu, więc widma takich elektronów są również dyskretne.

Ogólny widok charakterystycznego widma

W widmie rentgenowskim występują wąskie charakterystyczne linie wraz z ciągłym widmem bremsstrahlung. Jeśli przedstawimy widmo jako wykres intensywności w funkcji długości fali (częstotliwości), zobaczymy ostre piki w miejscach linii. Ich pozycja zależy od materiału anody. Te maksima są obecne przy każdej różnicy potencjałów - jeśli są promienie rentgenowskie, zawsze są też piki. Wraz ze wzrostem napięcia na elektrodach lampy zwiększa się natężenie zarówno ciągłego, jak i charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, ale nie zmienia się położenie pików i stosunek ich natężeń.

Piki w widmach rentgenowskich mają ten sam kształt niezależnie od materiału antykatody napromieniowanej elektronami, ale dla różnych materiałów znajdują się one przy różnych częstotliwościach, łącząc się szeregowo zgodnie z bliskością wartości częstotliwości. Pomiędzy samymi seriami różnica częstotliwości jest znacznie bardziej znacząca. Kształt maksimów nie zależy w żaden sposób od tego, czy materiał anodowy reprezentuje czysty pierwiastek chemiczny, czy jest to złożona substancja. W tym drugim przypadku charakterystyczne widma rentgenowskie jego elementów składowych po prostu nakładają się na siebie.

Wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka chemicznego wszystkie linie jego widma rentgenowskiego przesuwają się w kierunku rosnącej częstotliwości. Widmo zachowuje swoją formę.

Prawo Moseleya

Zjawisko przesunięcia spektralnego linii charakterystycznych zostało eksperymentalnie odkryte przez angielskiego fizyka Henry'ego Moseleya w 1913 roku. To pozwoliło mu powiązać częstotliwości maksimów widma z liczbami porządkowymi pierwiastków chemicznych. Zatem długość fali charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, jak się okazało, może być wyraźnie skorelowana z konkretnym pierwiastkiem. Ogólnie rzecz biorąc, prawo Moseleya można zapisać w następujący sposób: √f = (Z - S n)/n√R, gdzie f jest częstotliwością, Z jest liczbą porządkową elementu, S n jest stałą ekranowania, n jest głównym kwantem liczba, a R jest stałą Rydberga. Ta zależność jest liniowa i pojawia się na diagramie Moseleya jako seria linii prostych dla każdej wartości n.

Wartości n odpowiadają poszczególnym szeregom charakterystycznych pików rentgenowskich. Prawo Moseleya pozwala na wyznaczenie numeru seryjnego pierwiastka chemicznego napromieniowanego twardymi elektronami z mierzonych długości fal (są one jednoznacznie powiązane z częstotliwościami) maksimów widma rentgenowskiego.

Struktura powłok elektronowych pierwiastków chemicznych jest identyczna. Wskazuje na to monotoniczność zmiany przesunięcia w charakterystycznym widmie promieni rentgenowskich. Przesunięcie częstotliwości odzwierciedla nie strukturalne, ale różnice energetyczne między powłokami elektronowymi, unikalne dla każdego pierwiastka.

Rola prawa Moseleya w fizyce atomowej

Istnieją niewielkie odchylenia od ściśle liniowej zależności wyrażonej przez prawo Moseleya. Są one związane, po pierwsze, z osobliwościami kolejności wypełniania powłok elektronowych w niektórych pierwiastkach, a po drugie, z relatywistycznymi skutkami ruchu elektronów w ciężkich atomach. Ponadto, gdy zmienia się liczba neutronów w jądrze (tzw. przesunięcie izotopowe), położenie linii może się nieznacznie zmienić. Efekt ten umożliwił szczegółowe zbadanie budowy atomu.

Znaczenie prawa Moseleya jest niezwykle duże. Jego konsekwentne zastosowanie do elementów układu okresowego Mendelejewa ustanowiło wzorzec zwiększania numeru seryjnego zgodnie z każdym małym przesunięciem charakterystycznych maksimów. Przyczyniło się to do wyjaśnienia kwestii fizycznego znaczenia liczby porządkowej elementów. Wartość Z to nie tylko liczba: to dodatni ładunek elektryczny jądra, który jest sumą jednostkowych ładunków dodatnich cząstek, które go tworzą. Prawidłowe rozmieszczenie elementów w tabeli i obecność w niej pustych pozycji (wtedy jeszcze istniały) uzyskało mocne potwierdzenie. Udowodniono ważność prawa okresowego.

Ponadto prawo Moseleya stało się podstawą, na której powstał cały obszar badań eksperymentalnych - spektrometria rentgenowska.

Struktura powłok elektronowych atomu

Przypomnijmy pokrótce, jak ułożony jest elektron, składający się z powłok, oznaczonych literami K, L, M, N, O, P, Q lub cyframi od 1 do 7. Elektrony wewnątrz powłoki charakteryzują się tym samym głównym liczba kwantowa n, która określa możliwe wartości energii. W powłokach zewnętrznych energia elektronów jest wyższa, a potencjał jonizacji elektronów zewnętrznych jest odpowiednio niższy.

Powłoka zawiera jeden lub więcej podpoziomów: s, p, d, f, g, h, i. W każdej powłoce liczba podpoziomów wzrasta o jeden w porównaniu do poprzedniego. Liczba elektronów na każdym podpoziomie iw każdej powłoce nie może przekroczyć pewnej wartości. Charakteryzują się, oprócz głównej liczby kwantowej, tą samą wartością orbitalnej chmury elektronowej, która określa kształt. Podpoziomy są oznaczone powłoką, do której należą, na przykład 2s, 4d i tak dalej.

Podpoziom zawiera, które oprócz głównego i orbitalnego wyznacza jeszcze jedna liczba kwantowa - magnetyczna, która określa rzut orbitalnego pędu elektronu na kierunek pola magnetycznego. Jeden orbital może mieć nie więcej niż dwa elektrony, różniące się wartością czwartej liczby kwantowej - spinu.

Rozważmy bardziej szczegółowo, jak powstaje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Ponieważ pochodzenie tego typu emisji elektromagnetycznej związane jest ze zjawiskami zachodzącymi wewnątrz atomu, najwygodniej jest opisać je dokładnie w przybliżeniu w konfiguracjach elektronowych.

Mechanizm generowania charakterystycznych promieni rentgenowskich

Tak więc przyczyną tego promieniowania jest powstawanie wakatów elektronowych w wewnętrznych powłokach, z powodu wnikania wysokoenergetycznych elektronów w głąb atomu. Prawdopodobieństwo interakcji twardego elektronu wzrasta wraz z gęstością chmur elektronowych. Dlatego zderzenia najprawdopodobniej występują w gęsto upakowanych powłokach wewnętrznych, takich jak najniższa powłoka K. Tutaj atom jest zjonizowany, aw powłoce 1s powstaje wakat.

Wakat ten jest wypełniany przez elektron z powłoki o wyższej energii, którego nadmiar jest unoszony przez foton rentgenowski. Elektron ten może „spaść” z drugiej powłoki L, z trzeciej powłoki M i tak dalej. W ten sposób powstaje charakterystyczna seria, w tym przykładzie seria K. Wskazanie, skąd pochodzi elektron wypełniający wakat, podawane jest w postaci greckiego indeksu przy wyznaczaniu szeregu. „Alfa” oznacza, że ​​pochodzi z powłoki L, „beta” – z powłoki M. Obecnie istnieje tendencja do zastępowania indeksów liter greckich łacińskimi, przyjętymi do oznaczania muszli.

Natężenie linii alfa w serii jest zawsze największe, co oznacza, że ​​prawdopodobieństwo wypełnienia wakatu z sąsiedniej powłoki jest największe.

Teraz możemy odpowiedzieć na pytanie, jaka jest maksymalna energia charakterystycznego kwantu rentgenowskiego. Jest to określone przez różnicę wartości energii poziomów, między którymi zachodzi przejście elektronowe, zgodnie ze wzorem E \u003d E n 2 - E n 1, gdzie E n 2 i E n 1 są energiami stany elektroniczne, między którymi nastąpiło przejście. Najwyższą wartość tego parametru dają przejścia serii K z najwyższych możliwych poziomów atomów pierwiastków ciężkich. Ale intensywność tych linii (wysokości szczytów) jest najmniejsza, ponieważ są najmniej prawdopodobne.

Jeśli z powodu niewystarczającego napięcia na elektrodach twardy elektron nie może osiągnąć poziomu K, tworzy wakat na poziomie L i powstaje mniej energetyczna seria L o dłuższych długościach fal. Kolejne serie rodzą się w podobny sposób.

Ponadto, gdy wakat jest obsadzany, w wyniku przejścia elektronicznego w powłoce nadrzędnej pojawia się nowy wakat. Stwarza to warunki do wygenerowania kolejnej serii. Wakanty elektroniczne przesuwają się coraz wyżej z poziomu na poziom, a atom emituje kaskadę charakterystycznych serii widmowych, pozostając zjonizowanym.

Delikatna struktura charakterystycznych widm

Atomowe widma rentgenowskie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego charakteryzują się drobną strukturą, która wyraża się, podobnie jak w widmach optycznych, w postaci podziału linii.

Drobna struktura wynika z faktu, że poziom energetyczny - powłoka elektronowa - jest zbiorem blisko rozmieszczonych elementów - podpowłok. Aby scharakteryzować podpowłoki, wprowadzono jeszcze jedną wewnętrzną liczbę kwantową j, która odzwierciedla oddziaływanie własnego i orbitalnego momentu magnetycznego elektronu.

W związku z wpływem oddziaływania spin-orbita struktura energetyczna atomu komplikuje się, w wyniku czego charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo charakteryzujące się rozszczepionymi liniami z bardzo blisko rozmieszczonymi pierwiastkami.

Elementy drobnej struktury są zwykle oznaczane dodatkowymi indeksami cyfrowymi.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma cechę, która odbija się tylko w drobnej strukturze widma. Przejście elektronu na najniższy poziom energetyczny nie następuje z dolnej podpowłoki poziomu nadrzędnego. Takie zdarzenie ma znikome prawdopodobieństwo.

Wykorzystanie promieni rentgenowskich w spektrometrii

Promieniowanie to, ze względu na swoje cechy opisane przez prawo Moseleya, jest podstawą różnych rentgenowskich metod spektralnych do analizy substancji. Przy analizie widma rentgenowskiego wykorzystuje się albo dyfrakcję promieniowania na kryształach (metoda dyspersyjna) albo detektory czułe na energię pochłoniętych fotonów rentgenowskich (metoda dyspersyjna). Większość mikroskopów elektronowych jest wyposażona w jakąś formę przystawki do spektrometrii rentgenowskiej.

Spektrometria dyspersyjna fali charakteryzuje się szczególnie wysoką dokładnością. Za pomocą specjalnych filtrów wybierane są najintensywniejsze piki w widmie, dzięki czemu można uzyskać promieniowanie prawie monochromatyczne o dokładnie znanej częstotliwości. Materiał anodowy dobierany jest bardzo starannie, aby zapewnić uzyskanie monochromatycznej wiązki o pożądanej częstotliwości. Jej dyfrakcja na sieci krystalicznej badanej substancji pozwala z dużą dokładnością badać strukturę sieci. Ta metoda jest również stosowana w badaniu DNA i innych złożonych cząsteczek.

Jedna z cech charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego jest również brana pod uwagę w spektrometrii gamma. Jest to wysoka intensywność charakterystycznych pików. Spektrometry gamma wykorzystują ekranowanie ołowiowe przed zewnętrznym promieniowaniem tła, które zakłóca pomiary. Ale ołów, pochłaniając kwanty gamma, ulega wewnętrznej jonizacji, w wyniku czego aktywnie emituje w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Dodatkowe ekranowanie kadmu służy do pochłaniania intensywnych pików charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z ołowiu. To z kolei jest zjonizowane, a także emituje promieniowanie rentgenowskie. Aby zneutralizować charakterystyczne piki kadmu, stosuje się trzecią warstwę ekranującą - miedź, której maksima rentgenowskie leżą poza zakresem częstotliwości pracy spektrometru gamma.

Spektrometria wykorzystuje zarówno promieniowanie bremsstrahlung, jak i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Tak więc w analizie substancji badane są widma absorpcji ciągłego promieniowania rentgenowskiego przez różne substancje.

Promienie rentgenowskie zostały przypadkowo odkryte w 1895 roku przez słynnego niemieckiego fizyka Wilhelma Roentgena. Badał promienie katodowe w niskociśnieniowej rurze wyładowczej z wysokim napięciem między jej elektrodami. Chociaż lampa była w czarnej skrzynce, Roentgen zauważył, że ekran fluorescencyjny, który akurat znajdował się w pobliżu, świecił za każdym razem, gdy lampa była włączona. Tuba okazała się źródłem promieniowania, które mogło przeniknąć papier, drewno, szkło, a nawet półcentymetrową płytę aluminiową.

Badanie rentgenowskie wykazało, że rura wyładowcza jest źródłem nowego typu niewidzialnego promieniowania o dużej sile penetracji. Naukowiec nie mógł ustalić, czy to promieniowanie było strumieniem cząstek, czy fal i postanowił nazwać je promieniami rentgenowskimi. Później nazwano je promieniami rentgenowskimi.

Obecnie wiadomo, że promieniowanie rentgenowskie jest formą promieniowania elektromagnetycznego o krótszej długości fali niż ultrafioletowe fale elektromagnetyczne. Długość fali promieni rentgenowskich waha się od 70 Nm do 10 -5 Nm. Im krótsza długość fali promieni rentgenowskich, tym większa energia ich fotonów i większa moc przenikania. Promieniowanie rentgenowskie o stosunkowo długiej długości fali (ponad 10 Nm), są nazywane miękki. Długość fali 1 - 10 Nm charakteryzuje trudny Promienie rentgenowskie. Mają wielką przenikliwość.

Robienie zdjęć rentgenowskich

Promienie rentgenowskie są wytwarzane, gdy szybkie elektrony lub promienie katodowe zderzają się ze ściankami lub anodą niskociśnieniowej rury wyładowczej. Nowoczesna lampa rentgenowska to próżniowy pojemnik szklany z umieszczoną w nim katodą i anodą. Różnica potencjałów między katodą a anodą (antykatodą) sięga kilkuset kilowoltów. Katoda jest żarnikiem wolframowym ogrzewanym prądem elektrycznym. Prowadzi to do emisji elektronów przez katodę w wyniku emisji termoelektrycznej. Elektrony są przyspieszane przez pole elektryczne w lampie rentgenowskiej. Ponieważ w rurce znajduje się bardzo mała liczba cząsteczek gazu, elektrony praktycznie nie tracą energii w drodze do anody. Docierają do anody z bardzo dużą prędkością.

Promienie rentgenowskie są zawsze wytwarzane, gdy elektrony o dużej prędkości są opóźniane przez materiał anody. Większość energii elektronów jest rozpraszana w postaci ciepła. Dlatego anoda musi być sztucznie chłodzona. Anoda w lampie rentgenowskiej musi być wykonana z metalu o wysokiej temperaturze topnienia, takiego jak wolfram.

Część energii, która nie ulega rozproszeniu w postaci ciepła, jest zamieniana na energię fal elektromagnetycznych (promieniowanie rentgenowskie). Promienie rentgenowskie są zatem wynikiem bombardowania elektronami materiału anodowego. Istnieją dwa rodzaje promieni rentgenowskich: bremsstrahlung i charakterystyczne.

Prześwietlenie klatki piersiowej

Bremsstrahlung występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością są spowalniane przez pola elektryczne atomów anod. Warunki spowolnienia poszczególnych elektronów nie są takie same. W rezultacie różne części ich energii kinetycznej zamieniają się w energię promieni rentgenowskich.

Widmo bremsstrahlung jest niezależne od natury materiału anodowego. Jak wiadomo, energia fotonów promieniowania rentgenowskiego określa ich częstotliwość i długość fali. Dlatego promienie rentgenowskie bremsstrahlung nie są monochromatyczne. Charakteryzuje się różnorodnością długości fal, które można przedstawić widmo ciągłe (ciągłe).

Promienie rentgenowskie nie mogą mieć energii większej niż energia kinetyczna elektronów, które je tworzą. Najkrótsza długość fali promieniowania rentgenowskiego odpowiada maksymalnej energii kinetycznej zwalniających elektronów. Im większa różnica potencjałów w lampie rentgenowskiej, tym mniejsze można uzyskać długości fal rentgenowskich.

Charakterystyczne promienie rentgenowskie

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie nie jest ciągłe, ale widmo linii. Ten rodzaj promieniowania występuje, gdy szybki elektron po dotarciu do anody wnika w wewnętrzne orbitale atomów i wybija jeden z ich elektronów. W rezultacie pojawia się wolna przestrzeń, którą może wypełnić inny elektron schodzący z jednego z wyższych orbitali atomowych. To przejście elektronu z wyższego na niższy poziom energii powoduje promieniowanie rentgenowskie o określonej dyskretnej długości fali. Dlatego charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo linii. Częstotliwość charakterystycznych linii promieniowania zależy całkowicie od struktury orbitali elektronowych atomów anod.

Linie widmowe charakterystycznego promieniowania różnych pierwiastków chemicznych mają tę samą postać, ponieważ struktura ich wewnętrznych orbit elektronowych jest identyczna. Ale ich długość fali i częstotliwość wynikają z różnic energii między wewnętrznymi orbitalami ciężkich i lekkich atomów.

Częstotliwość linii charakterystycznego widma rentgenowskiego zmienia się zgodnie z liczbą atomową metalu i jest określona równaniem Moseleya: v 1/2 = A(Z-B), gdzie Z- liczba atomowa pierwiastka chemicznego, A oraz B- stałe.

Pierwotne fizyczne mechanizmy oddziaływania promieni rentgenowskich z materią

Pierwotna interakcja między promieniowaniem rentgenowskim a materią charakteryzuje się trzema mechanizmami:

1. Spójne rozpraszanie. Ta forma interakcji występuje, gdy fotony promieniowania rentgenowskiego mają mniej energii niż energia wiązania elektronów z jądrem atomu. W tym przypadku energia fotonu nie wystarcza do uwolnienia elektronów z atomów materii. Foton nie jest absorbowany przez atom, ale zmienia kierunek propagacji. W tym przypadku długość fali promieniowania rentgenowskiego pozostaje niezmieniona.

2. Efekt fotoelektryczny (efekt fotoelektryczny). Kiedy foton promieniowania rentgenowskiego dotrze do atomu materii, może wybić jeden z elektronów. Dzieje się tak, gdy energia fotonu przekracza energię wiązania elektronu z jądrem. W tym przypadku foton jest absorbowany, a elektron jest uwalniany z atomu. Jeśli foton przenosi więcej energii niż jest to potrzebne do uwolnienia elektronu, przekaże pozostałą energię uwolnionemu elektronowi w postaci energii kinetycznej. Zjawisko to, zwane efektem fotoelektrycznym, występuje, gdy promieniowanie rentgenowskie o stosunkowo niskiej energii jest pochłaniane.

Atom, który traci jeden ze swoich elektronów, staje się jonem dodatnim. Żywotność wolnych elektronów jest bardzo krótka. Są absorbowane przez neutralne atomy, które zamieniają się w jony ujemne. Wynikiem efektu fotoelektrycznego jest intensywna jonizacja materii.

Jeśli energia fotonu rentgenowskiego jest mniejsza niż energia jonizacji atomów, to atomy przechodzą w stan wzbudzony, ale nie są zjonizowane.

3. Niespójne rozpraszanie (efekt Comptona). Ten efekt odkrył amerykański fizyk Compton. Występuje, gdy substancja pochłania promieniowanie rentgenowskie o małej długości fali. Energia fotonowa takich promieni rentgenowskich jest zawsze większa niż energia jonizacji atomów substancji. Efekt Comptona jest wynikiem oddziaływania wysokoenergetycznego fotonu rentgenowskiego z jednym z elektronów w zewnętrznej powłoce atomu, który ma stosunkowo słabe wiązanie z jądrem atomowym.

Foton o wysokiej energii przekazuje część swojej energii elektronowi. Wzbudzony elektron jest uwalniany z atomu. Reszta energii pierwotnego fotonu jest emitowana jako foton rentgenowski o większej długości fali pod pewnym kątem do kierunku fotonu pierwotnego. Foton wtórny może jonizować inny atom i tak dalej. Te zmiany kierunku i długości fali promieniowania rentgenowskiego są znane jako efekt Comptona.

Niektóre efekty oddziaływania promieni rentgenowskich z materią

Jak wspomniano powyżej, promieniowanie rentgenowskie jest w stanie wzbudzić atomy i cząsteczki materii. Może to powodować fluorescencję niektórych substancji (np. siarczanu cynku). Jeśli równoległa wiązka promieni rentgenowskich jest skierowana na nieprzezroczyste obiekty, wówczas promienie przechodzą przez obiekt, umieszczając ekran pokryty substancją fluorescencyjną.

Ekran fluorescencyjny można zastąpić filmem fotograficznym. Promienie rentgenowskie mają taki sam wpływ na emulsję fotograficzną jak światło. Obie metody są stosowane w medycynie praktycznej.

Innym ważnym efektem promieni rentgenowskich jest ich zdolność do jonizacji. To zależy od ich długości fali i energii. Efekt ten zapewnia metodę pomiaru natężenia promieniowania rentgenowskiego. Kiedy promienie rentgenowskie przechodzą przez komorę jonizacyjną, generowany jest prąd elektryczny, którego wielkość jest proporcjonalna do natężenia promieni rentgenowskich.

Absorpcja promieni rentgenowskich przez materię

Kiedy promienie rentgenowskie przechodzą przez materię, ich energia spada z powodu absorpcji i rozpraszania. Osłabienie natężenia równoległej wiązki promieni rentgenowskich przechodzących przez substancję określa prawo Bouguera: I = I0 e -μd, gdzie ja 0- początkowe natężenie promieniowania rentgenowskiego; I to natężenie promieni rentgenowskich przechodzących przez warstwę materii, d- grubość warstwy absorbującej , μ - liniowy współczynnik tłumienia. Jest równy sumie dwóch wielkości: t- liniowy współczynnik absorpcji i σ - współczynnik rozproszenia liniowego: μ = τ+ σ

W eksperymentach stwierdzono, że liniowy współczynnik absorpcji zależy od liczby atomowej substancji i długości fali promieniowania rentgenowskiego:

τ = kρZ 3 λ 3, gdzie k- współczynnik bezpośredniej proporcjonalności, ρ - gęstość substancji, Z to liczba atomowa pierwiastka, λ to długość fali promieni rentgenowskich.

Zależność od Z jest bardzo ważna z praktycznego punktu widzenia. Na przykład współczynnik wchłaniania kości, które składają się z fosforanu wapnia, jest prawie 150 razy wyższy niż współczynnik wchłaniania tkanek miękkich ( Z=20 dla wapnia i Z=15 dla fosforu). Kiedy promienie rentgenowskie przechodzą przez ludzkie ciało, kości wyraźnie wyróżniają się na tle mięśni, tkanki łącznej itp.

Wiadomo, że narządy trawienne mają taki sam współczynnik wchłaniania jak inne tkanki miękkie. Ale cień przełyku, żołądka i jelit można odróżnić, jeśli pacjent spożyje środek kontrastowy - siarczan baru ( Z= 56 dla baru). Siarczan baru jest bardzo nieprzezroczysty dla promieni rentgenowskich i jest często używany do badań rentgenowskich przewodu pokarmowego. Pewne nieprzejrzyste mieszaniny są wstrzykiwane do krwiobiegu w celu zbadania stanu naczyń krwionośnych, nerek i tym podobnych. W tym przypadku jako środek kontrastowy stosuje się jod, którego liczba atomowa wynosi 53.

Zależność absorpcji promieniowania rentgenowskiego od Z stosowany również w celu ochrony przed ewentualnym szkodliwym działaniem promieni rentgenowskich. W tym celu używany jest ołów, wartość Z dla których jest 82.

Zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie

Powodem zastosowania promieni rentgenowskich w diagnostyce była ich wysoka penetracja, jedna z głównych Właściwości rentgenowskie. Na początku odkrycia promieni rentgenowskich używano głównie do badania złamań kości i lokalizowania ciał obcych (takich jak kule) w ludzkim ciele. Obecnie stosuje się kilka metod diagnostycznych z wykorzystaniem promieni rentgenowskich (diagnostyka rentgenowska).

Fluoroskopia . Urządzenie rentgenowskie składa się ze źródła promieniowania rentgenowskiego (lampy rentgenowskiej) i ekranu fluorescencyjnego. Po przejściu promieni rentgenowskich przez ciało pacjenta lekarz obserwuje obraz cienia pacjenta. Pomiędzy ekranem a oczami lekarza należy zamontować okienko ołowiane, aby chronić lekarza przed szkodliwym działaniem promieni rentgenowskich. Ta metoda umożliwia badanie stanu funkcjonalnego niektórych narządów. Na przykład lekarz może bezpośrednio obserwować ruchy płuc, przechodzenie środka kontrastowego przez przewód pokarmowy. Wadami tej metody są niedostateczny kontrast obrazów oraz stosunkowo wysokie dawki promieniowania, jakie otrzymuje pacjent podczas zabiegu.

Fluorografia . Metoda ta polega na wykonaniu zdjęcia części ciała pacjenta. Są one z reguły wykorzystywane do wstępnego badania stanu narządów wewnętrznych pacjentów stosujących niskie dawki promieniowania rentgenowskiego.

Radiografia. (radiografia rentgenowska). Jest to metoda badań z wykorzystaniem promieni rentgenowskich, podczas której obraz jest zapisywany na kliszy fotograficznej. Fotografie wykonuje się zwykle w dwóch prostopadłych płaszczyznach. Ta metoda ma pewne zalety. Zdjęcia rentgenowskie zawierają więcej szczegółów niż obraz na ekranie fluorescencyjnym, dzięki czemu są bardziej pouczające. Można je zapisać do dalszej analizy. Całkowita dawka promieniowania jest mniejsza niż stosowana we fluoroskopii.

Komputerowa tomografia rentgenowska . Komputerowy tomograf osiowy to najnowocześniejsze urządzenie do diagnostyki rentgenowskiej, które pozwala uzyskać wyraźny obraz dowolnej części ludzkiego ciała, w tym tkanek miękkich narządów.

Pierwsza generacja skanerów tomografii komputerowej (CT) zawiera specjalną lampę rentgenowską przymocowaną do cylindrycznej ramy. Cienka wiązka promieni rentgenowskich kierowana jest na pacjenta. Po przeciwnej stronie ramy przymocowane są dwa detektory promieni rentgenowskich. Pacjent znajduje się w centrum kadru, który może obracać się o 180 0 wokół swojego ciała.

Wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodzi przez nieruchomy obiekt. Detektory odbierają i rejestrują wartości absorpcji różnych tkanek. Rejestracji dokonuje się 160 razy, gdy lampa rentgenowska przesuwa się liniowo wzdłuż skanowanej płaszczyzny. Następnie rama jest obracana o 10 i procedura jest powtarzana. Nagrywanie trwa do momentu, gdy klatka zostanie obrócona o 180 0 . Podczas badania każdy detektor rejestruje 28800 klatek (180x160). Informacje przetwarzane są przez komputer, a za pomocą specjalnego programu komputerowego tworzony jest obraz wybranej warstwy.

Druga generacja CT wykorzystuje wiele wiązek promieniowania rentgenowskiego i do 30 detektorów promieniowania rentgenowskiego. Pozwala to na przyspieszenie procesu badawczego nawet do 18 sekund.

Trzecia generacja CT wykorzystuje nową zasadę. Szeroka wiązka promieni rentgenowskich w postaci wachlarza obejmuje badany obiekt, a promieniowanie rentgenowskie, które przeszło przez ciało, jest rejestrowane przez kilkaset detektorów. Czas potrzebny na badania zostaje skrócony do 5-6 sekund.

CT ma wiele zalet w porównaniu z wcześniejszymi metodami obrazowania. Charakteryzuje się wysoką rozdzielczością, co pozwala na wyróżnienie subtelnych zmian w tkankach miękkich. CT pozwala wykryć takie patologiczne procesy, których nie można wykryć innymi metodami. Ponadto zastosowanie tomografii komputerowej pozwala na zmniejszenie dawki promieniowania rentgenowskiego otrzymywanego przez pacjentów w trakcie procesu diagnostycznego.