คุณสมบัติและการใช้งานของรังสีเอกซ์ ลักษณะเอกซเรย์

• ยิ่งใช้แรงดันไฟฟ้ากับขั้วของหลอดมากเท่าใด ความต่างศักย์ก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น ดังนั้นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ก็จะสูงขึ้น แรงดันไฟฟ้าบนหลอดกำหนดความเร็วของอิเล็กตรอนและแรงของการชนกับวัสดุแอโนด ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าจะกำหนดความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้น

การจำแนกประเภทของหลอดเอ็กซ์เรย์

1. โดยได้รับการแต่งตั้ง
1. การวินิจฉัย
2. การรักษา
3. สำหรับการวิเคราะห์โครงสร้าง
4. สำหรับ transillumination
2. โดยการออกแบบ
1. โดยโฟกัส

• โฟกัสเดี่ยว (หนึ่งเกลียวบนแคโทดและหนึ่งจุดโฟกัสบนแอโนด)
• Bifocal (เกลียวสองขนาดต่างกันบนแคโทดและจุดโฟกัสสองจุดบนขั้วบวก)

1. ตามชนิดของแอโนด

• เครื่องเขียน (คงที่)
• หมุน

รังสีเอกซ์ไม่เพียงใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัยด้วยรังสีเท่านั้น แต่ยังใช้เพื่อการรักษาอีกด้วย ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ความสามารถของรังสีเอกซ์ในการยับยั้งการเจริญเติบโตของเซลล์เนื้องอกทำให้สามารถใช้รังสีรักษาโรคมะเร็งได้ นอกเหนือจากการใช้งานทางการแพทย์แล้ว รังสีเอกซ์ยังพบการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในด้านวิศวกรรมและเทคนิค วัสดุศาสตร์ ผลึกศาสตร์ เคมี และชีวเคมี เช่น การระบุข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างในผลิตภัณฑ์ต่างๆ (ราง รอยเชื่อม) เป็นต้น) โดยใช้รังสีเอกซ์ ประเภทของการวิจัยดังกล่าวเรียกว่าการส่องกล้องตรวจ และที่สนามบิน สถานีรถไฟ และสถานที่อื่นๆ ที่มีผู้คนพลุกพล่าน กล้องเอ็กซ์เรย์โทรทัศน์ถูกใช้อย่างแข็งขันเพื่อสแกนกระเป๋าถือและสัมภาระเพื่อความปลอดภัย

การออกแบบหลอดเอ็กซ์เรย์แตกต่างกันไปตามชนิดของแอโนด เนื่องจากความจริงที่ว่า 99% ของพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน ในระหว่างการทำงานของหลอด ขั้วบวกจะถูกให้ความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ - เป้าหมายทังสเตนที่ละเอียดอ่อนมักจะถูกเผาไหม้ ขั้วบวกถูกทำให้เย็นลงในหลอดเอ็กซ์เรย์สมัยใหม่โดยการหมุน แอโนดหมุนมีรูปร่างของดิสก์ ซึ่งกระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว ป้องกันความร้อนสูงเกินไปของเป้าหมายทังสเตน

การออกแบบหลอดเอ็กซ์เรย์ก็มีจุดโฟกัสต่างกัน จุดโฟกัส - ส่วนของขั้วบวกที่สร้างลำแสงเอ็กซ์เรย์ที่ทำงาน มันถูกแบ่งออกเป็นจุดโฟกัสจริงและจุดโฟกัสที่มีประสิทธิภาพ ( ข้าว. 12). เนื่องจากมุมของแอโนด จุดโฟกัสที่มีประสิทธิภาพจึงเล็กกว่าจุดจริง ขนาดจุดโฟกัสต่างๆ จะถูกใช้โดยขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นที่ภาพ ยิ่งพื้นที่ภาพใหญ่เท่าใด จุดโฟกัสก็ยิ่งกว้างขึ้นเท่านั้นเพื่อครอบคลุมพื้นที่ภาพทั้งหมด อย่างไรก็ตาม จุดโฟกัสที่เล็กกว่าจะให้ความคมชัดของภาพที่ดีกว่า ดังนั้นเมื่อสร้างภาพขนาดเล็ก เส้นใยสั้นจึงถูกใช้และอิเล็กตรอนจะถูกส่งไปยังพื้นที่เล็ก ๆ ของเป้าหมายขั้วบวก ทำให้เกิดจุดโฟกัสที่เล็กลง

ข้าว. 9 - หลอดเอ็กซ์เรย์พร้อมขั้วบวกนิ่ง
ข้าว. 10 - หลอดเอ็กซ์เรย์ที่มีแอโนดหมุน
ข้าว. 11 - อุปกรณ์หลอดเอ็กซ์เรย์ที่มีขั้วบวกหมุน
ข้าว. 12 เป็นไดอะแกรมของการก่อตัวของจุดโฟกัสที่แท้จริงและมีประสิทธิภาพ

รังสีเอกซ์เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงทำปฏิกิริยากับสสาร เมื่ออิเล็กตรอนชนกับอะตอมของสารใดๆ อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานจลน์ไปอย่างรวดเร็ว ในกรณีนี้ ส่วนใหญ่จะถูกแปลงเป็นความร้อน และเศษเล็กเศษน้อยซึ่งมักจะน้อยกว่า 1% จะถูกแปลงเป็นพลังงานเอ็กซ์เรย์ พลังงานนี้ถูกปล่อยออกมาในรูปของอนุภาคควอนตัมที่เรียกว่าโฟตอนซึ่งมีพลังงานแต่ไม่มีมวลพัก โฟตอนเอ็กซ์เรย์มีพลังงานต่างกัน ซึ่งแปรผกผันกับความยาวคลื่นของพวกมัน ด้วยวิธีทั่วไปในการรับรังสีเอกซ์ จะได้ช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลาย ซึ่งเรียกว่าสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ สเปกตรัมประกอบด้วยองค์ประกอบที่เด่นชัดดังแสดงในรูปที่ หนึ่ง.

ข้าว. หนึ่ง. X-RAY SPECTRUM แบบธรรมดาประกอบด้วยสเปกตรัมต่อเนื่อง (ต่อเนื่อง) และเส้นลักษณะเฉพาะ (ยอดแหลม) เส้น Kia และ Kib เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนเร่งกับอิเล็กตรอนของ K-shell ชั้นใน

"ความต่อเนื่อง" ที่กว้างเรียกว่าสเปกตรัมต่อเนื่องหรือการแผ่รังสีสีขาว ยอดเขาที่แหลมคมซ้อนทับอยู่บนนั้นเรียกว่าเส้นเอกซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะ แม้ว่าสเปกตรัมทั้งหมดเป็นผลมาจากการชนกันของอิเล็กตรอนกับสสาร แต่กลไกสำหรับการปรากฏตัวของส่วนกว้างและเส้นก็ต่างกัน สารประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ซึ่งแต่ละอะตอมมีนิวเคลียสล้อมรอบด้วยเปลือกอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนแต่ละตัวในเปลือกของอะตอมของธาตุที่กำหนดจะมีระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง โดยปกติเปลือกเหล่านี้หรือระดับพลังงานจะแสดงด้วยสัญลักษณ์ K, L, M เป็นต้น โดยเริ่มจากเปลือกที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุด เมื่ออิเล็กตรอนตกกระทบซึ่งมีพลังงานสูงเพียงพอชนกับอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งที่จับกับอะตอม อิเล็กตรอนตัวนั้นก็จะหลุดออกจากเปลือก พื้นที่ว่างถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนอีกตัวจากเปลือกซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่สูงขึ้น หลังนี้ให้พลังงานส่วนเกินโดยการปล่อยโฟตอนเอ็กซ์เรย์ เนื่องจากอิเล็กตรอนของเปลือกโลกมีค่าพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง โฟตอนเอ็กซ์เรย์ที่ได้จึงมีสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งสอดคล้องกับยอดแหลมสำหรับความยาวคลื่นบางค่า ซึ่งค่าเฉพาะจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเป้าหมาย เส้นลักษณะเฉพาะของซีรีส์ K-, L- และ M ขึ้นอยู่กับเปลือก (K, L หรือ M) ที่อิเล็กตรอนถูกกำจัดออกไป ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์และเลขอะตอมเรียกว่ากฎของโมสลีย์ (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีเอกซ์เรย์ลักษณะเฉพาะที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบทางเคมีขึ้นอยู่กับเลขอะตอมของธาตุ เส้นโค้งสอดคล้องกับกฎของโมสลีย์ ยิ่งเลขอะตอมของธาตุมากเท่าใด ความยาวคลื่นของเส้นแสดงคุณลักษณะยิ่งสั้นลงเท่านั้น

หากอิเล็กตรอนชนกับนิวเคลียสที่ค่อนข้างหนัก มันก็จะช้าลง และพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของโฟตอนเอ็กซ์เรย์ที่มีพลังงานใกล้เคียงกัน ถ้าเขาบินผ่านนิวเคลียส เขาจะสูญเสียพลังงานเพียงบางส่วน และส่วนที่เหลือจะถูกส่งไปยังอะตอมอื่นที่ขวางทางเขา การสูญเสียพลังงานแต่ละครั้งนำไปสู่การปล่อยโฟตอนด้วยพลังงานบางส่วน สเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ต่อเนื่องปรากฏขึ้น ขีด จำกัด บนซึ่งสอดคล้องกับพลังงานของอิเล็กตรอนที่เร็วที่สุด นี่คือกลไกสำหรับการก่อตัวของสเปกตรัมต่อเนื่อง และพลังงานสูงสุด (หรือความยาวคลื่นต่ำสุด) ที่กำหนดขอบเขตของสเปกตรัมต่อเนื่องนั้นเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟเร่ง ซึ่งกำหนดความเร็วของอิเล็กตรอนตกกระทบ เส้นสเปกตรัมกำหนดลักษณะของวัสดุของเป้าหมายที่ถูกทิ้งระเบิด ในขณะที่สเปกตรัมต่อเนื่องจะถูกกำหนดโดยพลังงานของลำอิเล็กตรอนและในทางปฏิบัติไม่ได้ขึ้นอยู่กับวัสดุเป้าหมาย

สามารถรับรังสีเอกซ์ได้ไม่เฉพาะจากการทิ้งระเบิดด้วยอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการฉายรังสีเอกซ์ไปยังเป้าหมายด้วยรังสีเอกซ์จากแหล่งอื่นด้วย อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ พลังงานส่วนใหญ่ของลำแสงตกกระทบจะเข้าสู่สเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะ และส่วนเล็ก ๆ ของลำแสงตกกระทบจะตกลงไปในสเปกตรัมต่อเนื่อง เห็นได้ชัดว่าลำแสงเอ็กซ์เรย์ที่ตกกระทบจะต้องมีโฟตอนซึ่งมีพลังงานเพียงพอที่จะกระตุ้นเส้นลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบที่ถูกทิ้งระเบิด เปอร์เซ็นต์พลังงานที่สูงต่อสเปกตรัมลักษณะเฉพาะทำให้วิธีการกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์นี้สะดวกสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

หลอดเอ็กซ์เรย์ เพื่อให้ได้รังสีเอกซ์อันเนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับสสาร จำเป็นต้องมีแหล่งกำเนิดของอิเล็กตรอน วิธีการเร่งความเร็วพวกมันให้เร็วขึ้น และเป้าหมายที่สามารถทนต่อการทิ้งระเบิดของอิเล็กตรอนและผลิตรังสีเอกซ์ของ ความเข้มที่ต้องการ อุปกรณ์ที่มีทั้งหมดนี้เรียกว่าหลอดเอ็กซ์เรย์ นักสำรวจยุคแรกใช้หลอด "สุญญากาศลึก" เช่น ท่อระบายของทุกวันนี้ สูญญากาศในตัวพวกเขาไม่สูงมาก

ท่อระบายมีก๊าซจำนวนเล็กน้อย และเมื่อความต่างศักย์สูงถูกนำไปใช้กับอิเล็กโทรดของท่อ อะตอมของแก๊สจะเปลี่ยนเป็นไอออนบวกและลบ ขั้วบวกเคลื่อนเข้าหาขั้วลบ (แคโทด) และตกลงบนนั้น กระแทกอิเล็กตรอนออกมา และในทางกลับกัน พวกมันจะเคลื่อนไปยังขั้วบวก (แอโนด) และทำการทิ้งระเบิดสร้างกระแสของโฟตอนเอ็กซ์เรย์ .

ในหลอดเอ็กซ์เรย์สมัยใหม่ที่พัฒนาโดยคูลิดจ์ (รูปที่ 3) แหล่งที่มาของอิเล็กตรอนคือแคโทดทังสเตนที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง อิเล็กตรอนจะถูกเร่งให้มีความเร็วสูงโดยความต่างศักย์สูงระหว่างแอโนด (หรือแอนติแคโทด) กับแคโทด เนื่องจากอิเล็กตรอนต้องไปถึงขั้วบวกโดยไม่ชนกับอะตอม จึงจำเป็นต้องมีสุญญากาศที่สูงมาก ซึ่งหลอดจะต้องถูกอพยพออกไปอย่างดี สิ่งนี้ยังลดความน่าจะเป็นของการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมของก๊าซที่เหลือและกระแสด้านข้างที่เกี่ยวข้อง

ข้าว. 3. เอ็กซ์เรย์หลอดคูลิดจ์ เมื่อถูกทิ้งระเบิดด้วยอิเล็กตรอน แอนติแคโทดของทังสเตนจะปล่อยรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะออกมา ภาพตัดขวางของลำแสงเอ็กซเรย์น้อยกว่าพื้นที่ฉายรังสีจริง 1 - ลำอิเล็กตรอน; 2 - แคโทดพร้อมอิเล็กโทรดโฟกัส; 3 - เปลือกแก้ว (หลอด); 4 - เป้าหมายทังสเตน (anticathode); 5 - ไส้หลอดแคโทด; 6 - พื้นที่ฉายรังสีจริง; 7 - จุดโฟกัสที่มีประสิทธิภาพ; 8 - ขั้วบวกทองแดง; 9 - หน้าต่าง; 10 - รังสีเอกซ์กระจัดกระจาย

อิเล็กตรอนจะมุ่งความสนใจไปที่แอโนดด้วยอิเล็กโทรดที่มีรูปร่างพิเศษรอบๆ แคโทด อิเล็กโทรดนี้เรียกว่าอิเล็กโทรดการโฟกัส และเมื่อรวมกับแคโทดจะทำให้เกิด "สปอตไลท์อิเล็กทรอนิกส์" ของหลอด ขั้วบวกที่ถูกกระแทกด้วยอิเล็กตรอนจะต้องทำจากวัสดุทนไฟ เนื่องจากพลังงานจลน์ส่วนใหญ่ของอิเล็กตรอนที่ทิ้งระเบิดจะถูกแปลงเป็นความร้อน นอกจากนี้ยังเป็นที่พึงปรารถนาที่ขั้วบวกจะทำจากวัสดุที่มีเลขอะตอมสูงตั้งแต่ ผลผลิตเอ็กซ์เรย์จะเพิ่มขึ้นตามจำนวนอะตอมที่เพิ่มขึ้น วัสดุแอโนดที่เลือกบ่อยที่สุดคือทังสเตนซึ่งมีเลขอะตอม 74

การออกแบบหลอดเอ็กซ์เรย์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการใช้งานและข้อกำหนด

กระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์แห่งสหพันธรัฐรัสเซีย

หน่วยงานกลางเพื่อการศึกษา

GOU VPO SUSU

ภาควิชาฟิสิกส์เคมี

ที่หลักสูตร KSE: “รังสีเอกซ์”

สมบูรณ์:

Naumova Daria Gennadievna

ตรวจสอบแล้ว:

รองศาสตราจารย์ K.T.N.

Tanklevskaya N.M.

Chelyabinsk 2010

บทนำ

บทที่ I. การค้นพบรังสีเอกซ์

ใบเสร็จ

ปฏิสัมพันธ์กับเรื่อง

ผลกระทบทางชีวภาพ

การลงทะเบียน

แอปพลิเคชัน

เอ็กซเรย์ถ่ายอย่างไร

เอกซเรย์ธรรมชาติ

บทที่ II. การถ่ายภาพรังสี

แอปพลิเคชัน

วิธีการรับภาพ

ประโยชน์ของการถ่ายภาพรังสี

ข้อเสียของการถ่ายภาพรังสี

ส่องกล้อง

หลักการรับ

ประโยชน์ของการส่องกล้องส่องกล้อง

ข้อเสียของฟลูออโรสโคปี

เทคโนโลยีดิจิทัลในฟลูออโรสโคปี

วิธีการสแกนหลายบรรทัด

บทสรุป

รายชื่อวรรณกรรมที่ใช้แล้ว

บทนำ

รังสีเอกซ์ - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานโฟตอนซึ่งกำหนดโดยช่วงพลังงานตั้งแต่รังสีอัลตราไวโอเลตไปจนถึงรังสีแกมมา ซึ่งสอดคล้องกับช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ 10-4 ถึง 10² Å (ตั้งแต่ 10-14 ถึง 10−8 ม.)

เช่นเดียวกับแสงที่มองเห็นได้ รังสีเอกซ์ทำให้ฟิล์มถ่ายภาพกลายเป็นสีดำ คุณสมบัตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิจัยทางการแพทย์ อุตสาหกรรม และวิทยาศาสตร์ เมื่อผ่านวัตถุที่อยู่ระหว่างการศึกษาแล้วตกลงมาบนแผ่นฟิล์ม รังสีเอกซ์จะแสดงให้เห็นโครงสร้างภายในของมัน เนื่องจากพลังการทะลุทะลวงของรังสีเอกซ์นั้นแตกต่างกันไปสำหรับวัสดุต่างๆ ส่วนของวัตถุที่มีความโปร่งใสน้อยกว่าจะให้พื้นที่ในภาพถ่ายที่สว่างกว่าส่วนที่รังสีทะลุผ่านได้ดี ดังนั้นเนื้อเยื่อกระดูกจึงมีความโปร่งใสในการเอ็กซเรย์น้อยกว่าเนื้อเยื่อที่ประกอบเป็นผิวหนังและอวัยวะภายใน ดังนั้นในการถ่ายภาพรังสี กระดูกจะถูกระบุว่าเป็นบริเวณที่เบากว่า และสามารถตรวจพบตำแหน่งที่แตกหักซึ่งโปร่งใสกว่าสำหรับการแผ่รังสีได้ค่อนข้างง่าย การถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ยังใช้ในทางทันตกรรมเพื่อตรวจหาฟันผุและฝีในรากฟัน เช่นเดียวกับในอุตสาหกรรมเพื่อตรวจหารอยแตกในการหล่อ พลาสติก และยาง

รังสีเอกซ์ใช้ในเคมีเพื่อวิเคราะห์สารประกอบและในฟิสิกส์เพื่อศึกษาโครงสร้างของผลึก ลำแสงเอ็กซ์เรย์ที่ลอดผ่านสารประกอบเคมีทำให้เกิดการแผ่รังสีทุติยภูมิในลักษณะเฉพาะ การวิเคราะห์ทางสเปกโตรสโกปีซึ่งช่วยให้นักเคมีสามารถกำหนดองค์ประกอบของสารประกอบได้ เมื่อตกลงไปบนสารที่เป็นผลึก ลำแสงเอ็กซ์เรย์จะกระจัดกระจายไปตามอะตอมของคริสตัล ทำให้เกิดจุดและลายบนแผ่นภาพถ่ายที่ชัดเจนและสม่ำเสมอ ซึ่งทำให้สามารถสร้างโครงสร้างภายในของคริสตัลได้

การใช้รังสีเอกซ์ในการรักษามะเร็งขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่ามันฆ่าเซลล์มะเร็ง อย่างไรก็ตาม มันสามารถมีผลที่ไม่พึงประสงค์ต่อเซลล์ปกติ ดังนั้นต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งในการใช้รังสีเอกซ์นี้

บทที่ I. การค้นพบรังสีเอกซ์

การค้นพบรังสีเอกซ์เกิดจากวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน เขาเป็นคนแรกที่ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับรังสีเอกซ์ ซึ่งเขาเรียกว่าเอกซเรย์ (x-ray) บทความโดย Roentgen เรื่อง "On a new types of rays" ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 28 ธันวาคม พ.ศ. 2438 ในวารสาร Würzburg Physico-Medical Society อย่างไรก็ตาม ถือว่าได้รับการพิสูจน์แล้วว่าได้รับรังสีเอกซ์มาก่อนแล้ว หลอดรังสีแคโทดที่ Roentgen ใช้ในการทดลองของเขาได้รับการพัฒนาโดย J. Hittorf และ W. Kruks หลอดนี้ผลิตรังสีเอกซ์ สิ่งนี้แสดงให้เห็นในการทดลองของครูกส์ และตั้งแต่ปี พ.ศ. 2435 ในการทดลองของไฮน์ริช เฮิรตซ์และฟิลิปป์ เลนาร์ด นักเรียนของเขาผ่านการทำให้แผ่นภาพกลายเป็นสีดำ อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครตระหนักถึงความสำคัญของการค้นพบนี้และไม่ได้เผยแพร่ผลลัพธ์ นอกจากนี้ Nikola Tesla ซึ่งเริ่มต้นในปี พ.ศ. 2440 ได้ทดลองหลอดรังสีแคโทดได้รับรังสีเอกซ์ แต่ไม่ได้เผยแพร่ผลงานของเขา

ด้วยเหตุผลนี้ เรินต์เกนจึงไม่ทราบเกี่ยวกับการค้นพบที่เกิดขึ้นต่อหน้าเขาและได้ค้นพบรังสี ซึ่งภายหลังได้รับการตั้งชื่อตามเขาโดยอิสระ ในขณะที่สังเกตการเรืองแสงที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของหลอดรังสีแคโทด Roentgen ศึกษารังสีเอกซ์มานานกว่าหนึ่งปี (ตั้งแต่วันที่ 8 พฤศจิกายน พ.ศ. 2438 ถึงมีนาคม พ.ศ. 2440) และตีพิมพ์บทความที่ค่อนข้างเล็กเพียงสามบทความเกี่ยวกับพวกเขา แต่พวกเขาให้คำอธิบายที่ครอบคลุมเกี่ยวกับรังสีใหม่ที่ผู้ติดตามของเขาหลายร้อยฉบับ แล้วเผยแพร่ในช่วง 12 ปีที่ผ่านมา ไม่สามารถเพิ่มหรือเปลี่ยนแปลงอะไรที่จำเป็นได้ เรินต์เกนที่เลิกสนใจรังสีเอกซ์บอกกับเพื่อนร่วมงานว่า "ฉันเขียนทุกอย่างแล้ว อย่าเสียเวลาเลย" ภาพถ่ายมือของภรรยาของเขาที่โด่งดังซึ่งมีส่วนสนับสนุนให้เรินต์เกนมีชื่อเสียง ซึ่งเขาตีพิมพ์ในบทความของเขา (ดูภาพด้านขวา) ชื่อเสียงดังกล่าวทำให้เรินต์เกนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2444 และคณะกรรมการโนเบลได้เน้นย้ำถึงความสำคัญในทางปฏิบัติของการค้นพบของเขา ในปี พ.ศ. 2439 มีการใช้ชื่อ "รังสีเอกซ์" เป็นครั้งแรก ในบางประเทศ ชื่อเดิมยังคงอยู่ - รังสีเอกซ์ ในรัสเซียรังสีเริ่มถูกเรียกว่า "X-ray" ตามคำแนะนำของนักเรียน V.K. เรินต์เกน - อับราม เฟโดโรวิช ไออฟฟี่

ตำแหน่งบนมาตราส่วนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ช่วงพลังงานของรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาคาบเกี่ยวกันในช่วงพลังงานกว้าง รังสีทั้งสองประเภทเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและเทียบเท่ากับพลังงานโฟตอนเดียวกัน ความแตกต่างทางคำศัพท์อยู่ในโหมดของการเกิดขึ้น - รังสีเอกซ์ถูกปล่อยออกมาโดยมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอน (ไม่ว่าจะเป็นในอะตอมหรือในอะตอมอิสระ) ในขณะที่รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาในกระบวนการกระตุ้นนิวเคลียสของอะตอม โฟตอนเอ็กซ์เรย์มีพลังงานตั้งแต่ 100 eV ถึง 250 keV ซึ่งสอดคล้องกับการแผ่รังสีที่มีความถี่ 3 1016 Hz ถึง 6 1019 Hz และความยาวคลื่น 0.005 - 10 nm (ไม่มีคำจำกัดความที่ยอมรับโดยทั่วไปของขีด จำกัด ล่างของ X - ช่วงรังสีในระดับความยาวคลื่น) รังสีเอกซ์แบบอ่อนมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานโฟตอนและความถี่การแผ่รังสีที่ต่ำที่สุด (และความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด) ในขณะที่รังสีเอกซ์แบบแข็งมีพลังงานโฟตอนและความถี่การแผ่รังสีสูงสุด (และความยาวคลื่นสั้นที่สุด)

(ภาพถ่ายเอกซเรย์ (roentgenogram) ของมือภรรยา ถ่ายโดย V.K. Roentgen)

ใบเสร็จ

รังสีเอกซ์เกิดจากการเร่งความเร็วของอนุภาคที่มีประจุ (ส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน) หรือโดยการเปลี่ยนผ่านที่มีพลังงานสูงในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมหรือโมเลกุล เอฟเฟกต์ทั้งสองนี้ใช้ในหลอดเอ็กซ์เรย์ซึ่งอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดร้อนจะถูกเร่ง (ไม่มีรังสีเอกซ์ออกมาเพราะความเร่งต่ำเกินไป) และชนกับแอโนดซึ่งมีการชะลอตัวอย่างรวดเร็ว (รังสีเอกซ์คือ ที่ปล่อยออกมา: ที่เรียกว่า . bremsstrahlung) และในขณะเดียวกันก็เคาะอิเล็กตรอนออกจากเปลือกอิเล็กตรอนชั้นในของอะตอมของโลหะที่ทำขั้วบวก พื้นที่ว่างในเปลือกหอยถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนอื่นของอะตอม ในกรณีนี้ รังสีเอกซ์จะถูกปล่อยออกมาโดยมีลักษณะพลังงานบางอย่างของวัสดุแอโนด (ลักษณะการแผ่รังสี ความถี่ถูกกำหนดโดยกฎของโมสลีย์:

โดยที่ Z คือเลขอะตอมของธาตุแอโนด A และ B เป็นค่าคงที่สำหรับค่าหนึ่งของเลขควอนตัมหลัก n ของเปลือกอิเล็กตรอน) ในปัจจุบัน แอโนดทำมาจากเซรามิกเป็นส่วนใหญ่ และส่วนที่อิเล็กตรอนถูกชนนั้นทำจากโมลิบดีนัม ในกระบวนการเร่ง-ลดความเร็ว มีเพียง 1% ของพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนไปที่รังสีเอกซ์ 99% ของพลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน

นอกจากนี้ยังสามารถรับรังสีเอกซ์ได้ในเครื่องเร่งอนุภาค ที่เรียกว่า. การแผ่รังสีซิงโครตรอนเกิดขึ้นเมื่อลำอนุภาคเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นผลมาจากการที่พวกมันประสบความเร่งในทิศทางตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของพวกมัน รังสีซินโครตรอนมีสเปกตรัมต่อเนื่องที่มีขีดจำกัดบน ด้วยพารามิเตอร์ที่เลือกอย่างเหมาะสม (ขนาดของสนามแม่เหล็กและพลังงานของอนุภาค) รังสีเอกซ์สามารถรับได้ในสเปกตรัมของรังสีซินโครตรอน

แผนผังแสดงหลอดเอ็กซ์เรย์ X - x-rays, K - แคโทด, A - แอโนด (บางครั้งเรียกว่าแอนติแคโทด), C - ฮีตซิงก์, เอ่อ - แรงดันไส้หลอดแคโทด, Ua - แรงดันไฟเร่ง, วิน - ช่องระบายความร้อนด้วยน้ำ, Wout - เต้าเสียบระบายความร้อนด้วยน้ำ (ดู x- หลอดรังสี) .

ปฏิสัมพันธ์กับเรื่อง

ดัชนีการหักเหของแสงของสารเกือบทั้งหมดสำหรับรังสีเอกซ์มีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากความสามัคคี ผลที่ตามมาคือไม่มีวัสดุใดที่ใช้ทำเลนส์เอ็กซ์เรย์ได้ นอกจากนี้ เมื่อรังสีเอกซ์ตกกระทบในแนวตั้งฉากกับพื้นผิว รังสีเอกซ์แทบจะไม่สะท้อน อย่างไรก็ตาม ในเลนส์เอ็กซ์เรย์ มีการค้นพบวิธีการในการสร้างองค์ประกอบออปติคัลสำหรับรังสีเอกซ์

รังสีเอกซ์สามารถทะลุผ่านสสารได้ และสารต่าง ๆ ดูดซับพวกมันต่างกัน การดูดกลืนรังสีเอกซ์เป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดในการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ ความเข้มของรังสีเอกซ์ลดลงแบบทวีคูณขึ้นอยู่กับเส้นทางที่เคลื่อนที่ในชั้นดูดซับ (I = I0e-kd โดยที่ d คือความหนาของชั้น สัมประสิทธิ์ k เป็นสัดส่วนกับ Z3λ3 Z คือเลขอะตอมของธาตุ λ คือ ความยาวคลื่น)

การดูดซึมเกิดขึ้นจากการดูดกลืนแสงและการกระเจิงของคอมป์ตัน:

การดูดกลืนแสงเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นกระบวนการเคาะอิเล็กตรอนออกจากเปลือกของอะตอมด้วยโฟตอน ซึ่งต้องการให้พลังงานโฟตอนมากกว่าค่าต่ำสุดที่แน่นอน หากเราพิจารณาความน่าจะเป็นของการดูดกลืนโดยขึ้นอยู่กับพลังงานของโฟตอน เมื่อถึงพลังงานบางอย่าง (ความน่าจะเป็น) จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงค่าสูงสุดของมัน สำหรับพลังงานที่สูงขึ้น ความน่าจะเป็นลดลงอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากการพึ่งพาอาศัยกันนี้จึงกล่าวว่ามีขีดจำกัดการดูดซึม ตำแหน่งของอิเล็กตรอนที่ถูกกระแทกในระหว่างการดูดซับจะถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งในขณะที่การแผ่รังสีที่มีพลังงานโฟตอนต่ำกว่าจะถูกปล่อยออกมาซึ่งเรียกว่า กระบวนการเรืองแสง

รังสีเอกซ์มีบทบาทสำคัญในการศึกษาและการใช้ปรากฏการณ์ปรมาณูในทางปฏิบัติ ต้องขอบคุณการวิจัยของพวกเขา ทำให้มีการค้นพบมากมายและวิธีการวิเคราะห์สารได้รับการพัฒนา ซึ่งใช้ในด้านต่างๆ ที่นี่เราจะพิจารณารังสีเอกซ์ประเภทหนึ่ง - รังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะ

ลักษณะและคุณสมบัติของรังสีเอกซ์

รังสีเอกซ์เป็นการเปลี่ยนแปลงความถี่สูงในสถานะของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในอวกาศด้วยความเร็วประมาณ 300,000 กม. / วินาทีนั่นคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในระดับของช่วงของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีเอกซ์จะอยู่ในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 10 -8 ถึง 5∙10 -12 เมตร ซึ่งสั้นกว่าคลื่นแสงหลายระดับ สิ่งนี้สอดคล้องกับความถี่ตั้งแต่ 3 การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าค่อนข้างธรรมดาเนื่องจากการทับซ้อนกัน

คือปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคที่มีประจุเร่ง (อิเล็กตรอนพลังงานสูง) กับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กและกับอะตอมของสสาร

โฟตอนเอ็กซ์เรย์มีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานสูงและพลังการทะลุทะลวงและไอออไนซ์สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรังสีเอกซ์แบบแข็งที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 1 นาโนเมตร (10 -9 ม.)

รังสีเอกซ์มีปฏิสัมพันธ์กับสสาร ทำให้อะตอมของไอออนแตกตัวเป็นไอออน ในกระบวนการของการดูดกลืนแสง (photoabsorption) และการกระเจิงที่ไม่ต่อเนื่องกัน (คอมป์ตัน) ในการดูดกลืนแสง โฟตอนเอ็กซ์เรย์ซึ่งถูกดูดกลืนโดยอิเล็กตรอนของอะตอม จะถ่ายเทพลังงานไปยังโฟตอน หากค่าของมันเกินกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนในอะตอม มันก็จะออกจากอะตอม การกระเจิงของคอมป์ตันเป็นลักษณะของโฟตอนเอ็กซ์เรย์ที่แข็งกว่า (มีพลัง) พลังงานส่วนหนึ่งของโฟตอนที่ถูกดูดซับถูกใช้ไปในการแตกตัวเป็นไอออน ในกรณีนี้ ในมุมหนึ่งไปยังทิศทางของโฟตอนหลัก โฟตอนรองจะถูกปล่อยออกมาด้วยความถี่ที่ต่ำกว่า

ประเภทของรังสีเอกซ์ เบรมสตราลุง

เพื่อให้ได้รังสีจะใช้ขวดสูญญากาศแก้วที่มีอิเล็กโทรดอยู่ภายใน ความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดต้องสูงมาก - มากถึงหลายร้อยกิโลโวลต์ บนแคโทดทังสเตนที่ถูกทำให้ร้อนโดยกระแส การปล่อยความร้อนเกิดขึ้นนั่นคืออิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาซึ่งเร่งโดยความต่างศักย์ ระเบิดที่ขั้วบวก อันเป็นผลมาจากการมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมของแอโนด (บางครั้งเรียกว่าแอนติแคโทด) โฟตอนเอ็กซ์เรย์จึงเกิดขึ้น

ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่นำไปสู่การกำเนิดของโฟตอน มีรังสีเอกซ์ประเภทต่างๆ เช่น bremsstrahlung และลักษณะเฉพาะ

อิเล็กตรอนสามารถพบกับแอโนดช้าลงนั่นคือสูญเสียพลังงานในสนามไฟฟ้าของอะตอม พลังงานนี้ถูกปล่อยออกมาในรูปของโฟตอนเอ็กซ์เรย์ รังสีดังกล่าวเรียกว่า bremsstrahlung

เป็นที่ชัดเจนว่าสภาพการเบรกจะแตกต่างกันไปสำหรับอิเลคตรอนแต่ละตัว ซึ่งหมายความว่าพลังงานจลน์ในปริมาณที่แตกต่างกันจะถูกแปลงเป็นรังสีเอกซ์ เป็นผลให้ bremsstrahlung รวมโฟตอนที่มีความถี่ต่างกันและตามความยาวคลื่น ดังนั้นสเปกตรัมของมันจึงต่อเนื่อง (ต่อเนื่อง) บางครั้งด้วยเหตุนี้จึงเรียกอีกอย่างว่ารังสีเอกซ์ "สีขาว"

พลังงานของโฟตอน bremsstrahlung ต้องไม่เกินพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่สร้างมันขึ้นมา ดังนั้นความถี่สูงสุด (และความยาวคลื่นที่เล็กที่สุด) ของ bremsstrahlung จะสอดคล้องกับค่าพลังงานจลน์ที่ใหญ่ที่สุดของอิเล็กตรอนที่ตกกระทบบนขั้วบวก หลังขึ้นอยู่กับความต่างศักย์ที่ใช้กับอิเล็กโทรด

มีเอ็กซ์เรย์อีกประเภทหนึ่งที่มาจากกระบวนการที่แตกต่างกัน การแผ่รังสีนี้เรียกว่าลักษณะเฉพาะและเราจะพูดถึงรายละเอียดเพิ่มเติม

วิธีการผลิตเอ็กซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะ

เมื่อไปถึงแอนติแคโทด อิเล็กตรอนเร็วสามารถทะลุเข้าไปในอะตอมและผลักอิเล็กตรอนออกจากออร์บิทัลล่างตัวใดตัวหนึ่ง นั่นคือ ถ่ายโอนพลังงานไปยังมันเพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม หากมีระดับพลังงานสูงกว่าที่ครอบครองโดยอิเล็กตรอนในอะตอม ที่ว่างจะไม่ว่างเปล่า

ต้องจำไว้ว่าโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมก็เหมือนกับระบบพลังงานอื่น ๆ ที่พยายามลดพลังงาน ตำแหน่งที่ว่างอันเป็นผลมาจากการน็อคเอาท์นั้นเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนจากระดับที่สูงกว่าหนึ่ง พลังงานของมันสูงขึ้น และเมื่ออยู่ในระดับที่ต่ำกว่า มันจะแผ่รังสีส่วนเกินออกมาในรูปของควอนตัมของรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะ

โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมเป็นชุดของสถานะพลังงานที่เป็นไปได้ของอิเล็กตรอนที่ไม่ต่อเนื่อง ดังนั้นโฟตอนเอ็กซ์เรย์ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแทนที่ตำแหน่งว่างของอิเล็กตรอนจึงสามารถมีค่าพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเท่านั้นซึ่งสะท้อนถึงความแตกต่างของระดับ ด้วยเหตุนี้ การแผ่รังสีเอกซ์ในลักษณะเฉพาะจึงมีสเปกตรัมที่ไม่ต่อเนื่องกัน แต่เป็นประเภทของเส้น สเปกตรัมดังกล่าวทำให้สามารถระบุลักษณะของสารของแอโนดได้ จึงเป็นที่มาของชื่อรังสีเหล่านี้ เป็นเพราะความแตกต่างของสเปกตรัมที่ชัดเจนว่าเบรมสตราลุงและรังสีเอกซ์มีลักษณะเฉพาะอย่างไร

บางครั้งพลังงานส่วนเกินจะไม่ถูกปล่อยออกมาจากอะตอม แต่ถูกใช้ไปในการเคาะอิเล็กตรอนตัวที่สามออกมา กระบวนการนี้ - ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์สว่าน - มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเมื่อพลังงานจับอิเล็กตรอนไม่เกิน 1 keV พลังงานของอิเล็กตรอน Auger ที่ปล่อยออกมานั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของระดับพลังงานของอะตอม ดังนั้นสเปกตรัมของอิเล็กตรอนดังกล่าวจึงไม่ต่อเนื่องกัน

มุมมองทั่วไปของสเปกตรัมลักษณะเฉพาะ

เส้นลักษณะแคบมีอยู่ในรูปแบบสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์พร้อมกับสเปกตรัมเบรมสตราลุงแบบต่อเนื่อง หากเราแสดงสเปกตรัมเป็นพล็อตของความเข้มเทียบกับความยาวคลื่น (ความถี่) เราจะเห็นยอดแหลมที่ตำแหน่งของเส้น ตำแหน่งขึ้นอยู่กับวัสดุขั้วบวก ค่าสูงสุดเหล่านี้มีอยู่ที่ความต่างศักย์ใดๆ - หากมีรังสีเอกซ์ ก็จะมีพีคเสมอเช่นกัน ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าของหลอด ความเข้มของการแผ่รังสีเอกซ์เรย์ทั้งแบบต่อเนื่องและแบบเฉพาะเจาะจงจะเพิ่มขึ้น แต่ตำแหน่งของยอดและอัตราส่วนของความเข้มจะไม่เปลี่ยนแปลง

พีคในสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์มีรูปร่างเหมือนกันโดยไม่คำนึงถึงวัสดุของแอนติแคโทดที่ฉายรังสีโดยอิเล็กตรอน แต่สำหรับวัสดุที่แตกต่างกัน พวกมันจะอยู่ที่ความถี่ต่างกัน โดยจะรวมกันเป็นอนุกรมตามความใกล้เคียงของค่าความถี่ ระหว่างซีรีส์เอง ความแตกต่างของความถี่มีความสำคัญมากกว่ามาก รูปร่างของจุดสูงสุดไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าวัสดุแอโนดเป็นตัวแทนขององค์ประกอบทางเคมีบริสุทธิ์หรือเป็นสารที่ซับซ้อนหรือไม่ ในกรณีหลังนี้ สเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบจะซ้อนทับกันอย่างง่ายๆ

ด้วยการเพิ่มจำนวนอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี เส้นสเปกตรัมของรังสีเอกซ์ทั้งหมดจะเปลี่ยนไปสู่ความถี่ที่เพิ่มขึ้น สเปกตรัมยังคงรูปแบบอยู่

กฎของโมสลีย์

ปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมของเส้นลักษณะเฉพาะถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Henry Moseley ในปี 1913 ซึ่งช่วยให้เขาเชื่อมโยงความถี่สูงสุดของสเปกตรัมกับเลขลำดับขององค์ประกอบทางเคมีได้ ดังนั้นความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะจึงสามารถสัมพันธ์กับองค์ประกอบเฉพาะได้อย่างชัดเจน โดยทั่วไป กฎของโมสลีย์สามารถเขียนได้ดังนี้ √f = (Z - S n)/n√R โดยที่ f คือความถี่ Z คือเลขลำดับของธาตุ S n คือค่าคงที่การคัดกรอง n คือควอนตัมหลัก จำนวนและ R คือค่าคงที่ Rydberg ความสัมพันธ์นี้เป็นเส้นตรงและปรากฏบนไดอะแกรมของ Moseley เป็นชุดของเส้นตรงสำหรับแต่ละค่าของ n

ค่าของ n สอดคล้องกับชุดของพีคเอ็กซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะแต่ละชุด กฎของโมสลีย์อนุญาตให้กำหนดหมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบทางเคมีที่ฉายรังสีโดยอิเล็กตรอนแข็งจากความยาวคลื่นที่วัดได้

โครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนขององค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน สิ่งนี้แสดงให้เห็นโดยความซ้ำซากจำเจของการเปลี่ยนแปลงกะในสเปกตรัมลักษณะของรังสีเอกซ์ การเปลี่ยนความถี่ไม่ได้สะท้อนถึงโครงสร้าง แต่ความแตกต่างของพลังงานระหว่างเปลือกอิเล็กตรอน เฉพาะสำหรับแต่ละองค์ประกอบ

บทบาทของกฎของโมสลีย์ในฟิสิกส์ปรมาณู

มีความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงที่แสดงออกโดยกฎของโมสลีย์ ประการแรกมีการเชื่อมต่อกันโดยมีลักษณะเฉพาะของลำดับการเติมของเปลือกอิเล็กตรอนในองค์ประกอบบางอย่างและประการที่สองด้วยผลกระทบเชิงสัมพันธ์ของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมหนัก นอกจากนี้ เมื่อจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสเปลี่ยนแปลง (ที่เรียกว่า isotopic shift) ตำแหน่งของเส้นสามารถเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ผลกระทบนี้ทำให้สามารถศึกษาโครงสร้างอะตอมโดยละเอียดได้

ความสำคัญของกฎของโมสลีย์นั้นยิ่งใหญ่มาก การประยุกต์ใช้ที่สอดคล้องกันกับองค์ประกอบของระบบเป็นระยะของ Mendeleev ทำให้เกิดรูปแบบของการเพิ่มหมายเลขซีเรียลตามการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ แต่ละครั้งในลักษณะสูงสุด สิ่งนี้มีส่วนทำให้เกิดความกระจ่างของคำถามเกี่ยวกับความหมายทางกายภาพของจำนวนองค์ประกอบลำดับ ค่า Z ไม่ได้เป็นเพียงตัวเลข แต่เป็นประจุไฟฟ้าบวกของนิวเคลียส ซึ่งเป็นผลรวมของประจุบวกในหน่วยของอนุภาคที่ประกอบกัน ตำแหน่งที่ถูกต้องขององค์ประกอบในตารางและการมีตำแหน่งว่างในนั้น (จากนั้นยังคงมีอยู่) ได้รับการยืนยันที่มีประสิทธิภาพ ความถูกต้องของกฎหมายเป็นระยะได้รับการพิสูจน์แล้ว

นอกจากนี้กฎของ Moseley ได้กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการวิจัยเชิงทดลองทั้งหมดที่เกิดขึ้น - X-ray spectrometry

โครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม

ให้เรานึกสั้น ๆ ว่าอิเล็กตรอนถูกจัดเรียงอย่างไร ประกอบด้วย เปลือกซึ่งเขียนแทนด้วยตัวอักษร K, L, M, N, O, P, Q หรือตัวเลขตั้งแต่ 1 ถึง 7 อิเล็กตรอนภายในเปลือกมีลักษณะเป็นธาตุหลักเหมือนกัน หมายเลขควอนตัม n ซึ่งกำหนดค่าพลังงานที่เป็นไปได้ ในเปลือกชั้นนอก พลังงานของอิเล็กตรอนจะสูงขึ้น และศักย์อิออไนเซชันของอิเล็กตรอนภายนอกจะลดลงตามลำดับ

เชลล์ประกอบด้วยระดับย่อยตั้งแต่หนึ่งระดับขึ้นไป: s, p, d, f, g, h, i ในแต่ละเชลล์ จำนวนระดับย่อยจะเพิ่มขึ้นหนึ่งระดับเมื่อเทียบกับระดับก่อนหน้า จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับย่อยและในแต่ละชั้นจะต้องไม่เกินค่าที่กำหนด พวกเขามีลักษณะเฉพาะนอกเหนือจากเลขควอนตัมหลักด้วยค่าเดียวกันของเมฆอิเล็กตรอนในวงโคจรที่กำหนดรูปร่าง ระดับย่อยจะติดป้ายกำกับด้วยเชลล์ที่เป็นเจ้าของ เช่น 2s, 4d และอื่นๆ

ระดับย่อยประกอบด้วยซึ่งถูกตั้งค่า นอกเหนือจากหลักและออร์บิทัลด้วยเลขควอนตัมอีกหนึ่งตัว - แม่เหล็ก ซึ่งกำหนดการฉายภาพของโมเมนตัมการโคจรของอิเล็กตรอนไปยังทิศทางของสนามแม่เหล็ก หนึ่งออร์บิทัลสามารถมีอิเล็กตรอนได้ไม่เกินสองตัวซึ่งแตกต่างกันในค่าของเลขควอนตัมที่สี่ - สปิน

ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมว่ารังสีเอกซ์มีลักษณะเฉพาะอย่างไร เนื่องจากแหล่งกำเนิดของการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทนี้มีความเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นภายในอะตอม จึงสะดวกที่สุดที่จะอธิบายอย่างแม่นยำในการประมาณค่าทางอิเล็กทรอนิกส์

กลไกการสร้างลักษณะเฉพาะของรังสีเอกซ์

ดังนั้น สาเหตุของการแผ่รังสีนี้คือการก่อตัวของอิเล็กตรอนว่างในเปลือกชั้นใน เนื่องจากการแทรกซึมของอิเล็กตรอนพลังงานสูงลึกเข้าไปในอะตอม ความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนแข็งจะมีปฏิสัมพันธ์เพิ่มขึ้นตามความหนาแน่นของเมฆอิเล็กตรอน ดังนั้น การชนกันจึงมักเกิดขึ้นภายในเปลือกชั้นในที่อัดแน่นอย่างหนาแน่น เช่น K-shell ที่ต่ำที่สุด ที่นี่อะตอมถูกแตกตัวเป็นไอออน และเกิดช่องว่างในเปลือก 1s

ตำแหน่งว่างนี้เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนจากเปลือกที่มีพลังงานสูงกว่า ซึ่งส่วนเกินจะถูกโฟตอนเอ็กซ์เรย์พัดพาไป อิเล็กตรอนนี้สามารถ "ตก" จากเปลือกที่สอง L จากเปลือกที่สาม M เป็นต้น นี่คือวิธีสร้างอนุกรมลักษณะเฉพาะ ในตัวอย่างนี้ ซีรีย์ K ตัวบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนที่เติมตำแหน่งว่างนั้นมาจากที่ใดในรูปแบบของดัชนีกรีกเมื่อกำหนดอนุกรม "อัลฟ่า" หมายความว่ามันมาจาก L-shell, "beta" - จาก M-shell ปัจจุบันมีแนวโน้มที่จะแทนที่ดัชนีตัวอักษรกรีกด้วยดัชนีละตินที่ใช้เพื่อกำหนดเปลือกหอย

ความเข้มของเส้นอัลฟาในอนุกรมนั้นสูงที่สุดเสมอ ซึ่งหมายความว่าความน่าจะเป็นที่จะเติมช่องว่างจากเปลือกข้างเคียงจะสูงที่สุด

ตอนนี้เราสามารถตอบคำถามได้ว่าพลังงานสูงสุดของควอนตัมเอ็กซ์เรย์ที่เป็นลักษณะเฉพาะคืออะไร มันถูกกำหนดโดยความแตกต่างในค่าพลังงานของระดับระหว่างที่เกิดการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนตามสูตร E \u003d E n 2 - E n 1 โดยที่ E n 2 และ E n 1 เป็นพลังงานของ สถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างที่เกิดการเปลี่ยนแปลง ค่าสูงสุดของพารามิเตอร์นี้มาจากการเปลี่ยนแปลงของซีรีย์ K จากระดับสูงสุดของอะตอมของธาตุหนักที่เป็นไปได้ แต่ความเข้มของเส้นเหล่านี้ (ความสูงสูงสุด) จะน้อยที่สุด เนื่องจากมีโอกาสน้อยที่สุด

ถ้าเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าไม่เพียงพอบนอิเล็กโทรด ฮาร์ดอิเล็กตรอนไม่สามารถไปถึงระดับ K ได้ ก็จะเกิดตำแหน่งว่างที่ระดับ L และเกิดซีรีย์ L ที่มีพลังน้อยกว่าและมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ลำดับต่อมาเกิดในลักษณะที่คล้ายคลึงกัน

นอกจากนี้ เมื่อตำแหน่งว่างเต็มแล้ว ตำแหน่งใหม่จะปรากฏในเปลือกที่วางซ้อนซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์ สิ่งนี้สร้างเงื่อนไขสำหรับการสร้างชุดต่อไป ตำแหน่งงานว่างทางอิเล็กทรอนิกส์จะเลื่อนสูงขึ้นจากระดับหนึ่งไปอีกระดับ และอะตอมจะปล่อยชุดสเปกตรัมที่มีลักษณะเฉพาะออกมาเป็นลำดับ ขณะที่ยังคงแตกตัวเป็นไอออน

โครงสร้างที่ดีของสเปกตรัมลักษณะเฉพาะ

สเปกตรัม X-ray ของอะตอมของรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยโครงสร้างที่ดี ซึ่งแสดงออกมาในเส้นแบ่งเช่นเดียวกับในสเปกตรัมออปติคอล

โครงสร้างที่ละเอียดนั้นเกิดจากการที่ระดับพลังงาน - เปลือกอิเล็กตรอน - เป็นชุดของส่วนประกอบที่อยู่ใกล้เคียงกัน - เปลือกย่อย ในการอธิบายลักษณะเฉพาะของเปลือกย่อย จะมีการแนะนำหมายเลขควอนตัมภายใน j ซึ่งสะท้อนปฏิสัมพันธ์ของโมเมนต์แม่เหล็กที่แท้จริงและในวงโคจรของอิเล็กตรอน

ในการเชื่อมต่อกับอิทธิพลของปฏิสัมพันธ์ระหว่างวงโคจรกับสปิน โครงสร้างพลังงานของอะตอมจะซับซ้อนมากขึ้น และด้วยเหตุนี้ รังสีเอกซ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะจึงมีสเปกตรัมที่มีลักษณะเฉพาะด้วยเส้นแบ่งที่มีองค์ประกอบที่เว้นระยะใกล้กันมาก

องค์ประกอบโครงสร้างที่ดีมักจะแสดงด้วยดัชนีดิจิทัลเพิ่มเติม

ลักษณะการแผ่รังสีเอกซ์เรย์มีลักษณะเฉพาะที่สะท้อนในโครงสร้างที่ละเอียดของสเปกตรัมเท่านั้น การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนไปเป็นระดับพลังงานต่ำสุดไม่ได้เกิดขึ้นจาก subshell ล่างของระดับที่วางอยู่ เหตุการณ์ดังกล่าวมีความเป็นไปได้เล็กน้อย

การใช้รังสีเอกซ์ในสเปกโตรเมทรี

การแผ่รังสีนี้ เนื่องจากคุณลักษณะของมันอธิบายไว้โดยกฎของโมสลีย์ อาศัยวิธีเอ็กซ์เรย์สเปกตรัมต่างๆ สำหรับการวิเคราะห์สารต่างๆ เมื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของรังสีเอกซ์ จะใช้การเลี้ยวเบนของรังสีด้วยผลึก (วิธีกระจายคลื่น) หรือเครื่องตรวจจับที่ไวต่อพลังงานของโฟตอนเอ็กซ์เรย์ที่ถูกดูดกลืน (วิธีกระจายพลังงาน) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่วนใหญ่มีอุปกรณ์แนบ X-ray spectrometry บางรูปแบบ

Wave-dispersive spectrometry มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษ ด้วยความช่วยเหลือของตัวกรองพิเศษ จุดสูงสุดที่เข้มข้นที่สุดในสเปกตรัมจะถูกเลือก เพื่อให้สามารถได้รับรังสีเอกรงค์ที่มีความถี่ที่ทราบได้อย่างแม่นยำ วัสดุแอโนดได้รับการคัดเลือกอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าได้ลำแสงสีเดียวของความถี่ที่ต้องการ การเลี้ยวเบนบนโครงผลึกของสารที่ศึกษาทำให้สามารถศึกษาโครงสร้างของโครงตาข่ายได้อย่างแม่นยำ วิธีนี้ใช้ในการศึกษา DNA และโมเลกุลที่ซับซ้อนอื่นๆ ด้วย

คุณลักษณะหนึ่งของรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะถูกนำมาพิจารณาด้วยในแกมมาสเปกโตรเมทรีด้วย นี่คือความเข้มสูงของพีคที่มีลักษณะเฉพาะ สเปกโตรมิเตอร์แกมมาใช้การบังตะกั่วจากรังสีพื้นหลังภายนอกที่รบกวนการวัด แต่สารตะกั่วที่ดูดซับรังสีแกมมานั้นประสบกับการแตกตัวเป็นไอออนภายใน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่มันปล่อยรังสีออกมาอย่างแข็งขันในช่วงรังสีเอกซ์ การตรวจคัดกรองแคดเมียมเพิ่มเติมใช้เพื่อดูดซับจุดสูงสุดที่รุนแรงของรังสีเอกซ์จากตะกั่ว ในทางกลับกัน มันถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนและปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาด้วย ในการทำให้ยอดที่มีลักษณะเฉพาะของแคดเมียมเป็นกลางนั้น จะใช้ชั้นป้องกันที่สาม - ทองแดง ซึ่งค่าสูงสุดของรังสีเอกซ์ซึ่งอยู่นอกช่วงความถี่ในการทำงานของแกมมาสเปกโตรมิเตอร์

Spectrometry ใช้ทั้ง bremsstrahlung และ X-rays ที่มีลักษณะเฉพาะ ดังนั้นในการวิเคราะห์สารจึงมีการศึกษาสเปกตรัมการดูดกลืนของรังสีเอกซ์ต่อเนื่องโดยสารต่างๆ

รังสีเอกซ์ถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี พ.ศ. 2438 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อวิลเฮล์ม เรินต์เกน เขาศึกษารังสีแคโทดในท่อระบายแก๊สแรงดันต่ำที่มีแรงดันสูงระหว่างอิเล็กโทรด แม้ว่าหลอดจะอยู่ในกล่องดำ แต่เรินต์เกนสังเกตว่าหน้าจอเรืองแสงซึ่งอยู่ใกล้ๆ จะเรืองแสงทุกครั้งที่หลอดทำงาน หลอดนี้กลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีที่สามารถทะลุผ่านกระดาษ ไม้ แก้ว และแม้แต่แผ่นอะลูมิเนียมหนาครึ่งเซนติเมตร

เอ็กซ์เรย์ระบุว่าท่อปล่อยก๊าซเป็นแหล่งของรังสีชนิดใหม่ที่มองไม่เห็นซึ่งมีกำลังการทะลุทะลวงสูง นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถระบุได้ว่ารังสีนี้เป็นกระแสของอนุภาคหรือคลื่นหรือไม่ และเขาจึงตัดสินใจตั้งชื่อให้รังสีเอกซ์ ต่อมาพวกเขาถูกเรียกว่ารังสีเอกซ์

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ารังสีเอกซ์เป็นรูปแบบของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอัลตราไวโอเลต ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์อยู่ในช่วง 70 นาโนเมตรมากถึง 10 -5 นาโนเมตร. ยิ่งความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์สั้นลง พลังงานของโฟตอนก็จะยิ่งมากขึ้น และพลังการทะลุทะลวงก็จะยิ่งมากขึ้น รังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นค่อนข้างยาว (มากกว่า 10 นาโนเมตร) เรียกว่า อ่อน. ความยาวคลื่น 1 - 10 นาโนเมตรลักษณะ ยากเอกซเรย์. พวกมันมีพลังทะลุทะลวงอย่างมาก

รับเอกซเรย์

รังสีเอกซ์เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเร็วหรือรังสีแคโทดชนกับผนังหรือขั้วบวกของท่อระบายแรงดันต่ำ หลอดเอ็กซ์เรย์ที่ทันสมัยคือภาชนะแก้วที่มีการอพยพซึ่งมีแคโทดและขั้วบวกอยู่ภายใน ความต่างศักย์ระหว่างแคโทดและแอโนด (แอนติแคโทด) ถึงหลายร้อยกิโลโวลต์ แคโทดเป็นไส้หลอดทังสเตนที่ให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า สิ่งนี้นำไปสู่การปล่อยอิเล็กตรอนโดยแคโทดอันเป็นผลมาจากการปล่อยความร้อน อิเล็กตรอนถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าในหลอดเอ็กซ์เรย์ เนื่องจากในหลอดมีโมเลกุลของแก๊สจำนวนน้อยมาก อิเล็กตรอนจึงไม่สูญเสียพลังงานระหว่างทางไปยังแอโนด พวกเขาไปถึงขั้วบวกด้วยความเร็วสูงมาก

รังสีเอกซ์เกิดขึ้นได้เสมอเมื่ออิเล็กตรอนความเร็วสูงถูกหน่วงด้วยวัสดุแอโนด พลังงานอิเล็กตรอนส่วนใหญ่กระจายไปเป็นความร้อน ดังนั้นขั้วบวกจะต้องระบายความร้อนด้วยเทียม ขั้วบวกในหลอดเอ็กซ์เรย์ต้องทำจากโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ทังสเตน

ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ไม่กระจายตัวในรูปของความร้อนจะถูกแปลงเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (X-rays) ดังนั้นรังสีเอกซ์จึงเป็นผลมาจากการทิ้งระเบิดอิเล็กตรอนของวัสดุแอโนด รังสีเอกซ์มีสองประเภท: bremsstrahlung และลักษณะเฉพาะ

เอกซเรย์เบรมสตราลุง

Bremsstrahlung เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงถูกชะลอตัวโดยสนามไฟฟ้าของอะตอมแอโนด เงื่อนไขการชะลอตัวของอิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่เหมือนกัน เป็นผลให้พลังงานจลน์ส่วนต่างๆ ของพวกมันส่งผ่านไปยังพลังงานของรังสีเอกซ์

สเปกตรัมของเบรมสตราลุงนั้นไม่ขึ้นกับธรรมชาติของวัสดุแอโนด ดังที่คุณทราบ พลังงานของโฟตอนเอ็กซ์เรย์กำหนดความถี่และความยาวคลื่นของพวกมัน ดังนั้นรังสีเอกซ์ bremsstrahlung จึงไม่เป็นแบบเอกรงค์ มีลักษณะความยาวคลื่นที่หลากหลายที่สามารถแสดงได้ สเปกตรัมต่อเนื่อง (ต่อเนื่อง)

รังสีเอกซ์ไม่สามารถมีพลังงานมากกว่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ก่อตัวขึ้นได้ ความยาวคลื่นเอ็กซ์เรย์ที่สั้นที่สุดสอดคล้องกับพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่ชะลอตัว ยิ่งมีความต่างศักย์ในหลอดเอ็กซ์เรย์มากเท่าใด ก็ยิ่งได้ความยาวคลื่นของเอ็กซ์เรย์ที่เล็กลงเท่านั้น

ลักษณะเอกซเรย์

รังสีเอกซ์มีลักษณะเฉพาะไม่ต่อเนื่องแต่ เส้นสเปกตรัม. การแผ่รังสีประเภทนี้เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเร็วเมื่อไปถึงแอโนดเข้าสู่วงโคจรภายในของอะตอมและกระแทกอิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่ง เป็นผลให้มีที่ว่างปรากฏขึ้นซึ่งสามารถเติมด้วยอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งที่ลงมาจากออร์บิทัลของอะตอมด้านบน การเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปเป็นระดับพลังงานที่ต่ำกว่านี้ทำให้เกิดรังสีเอกซ์ของความยาวคลื่นที่ไม่ต่อเนื่อง ดังนั้นลักษณะรังสีเอกซ์จึงมี เส้นสเปกตรัม. ความถี่ของเส้นรังสีที่มีลักษณะเฉพาะขึ้นอยู่กับโครงสร้างของออร์บิทัลอิเล็กตรอนของอะตอมของแอโนด

เส้นสเปกตรัมของการแผ่รังสีลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบทางเคมีต่างกันมีรูปแบบเหมือนกัน เนื่องจากโครงสร้างของวงโคจรของอิเล็กตรอนภายในเหมือนกัน แต่ความยาวคลื่นและความถี่ของพวกมันเกิดจากความแตกต่างของพลังงานระหว่างออร์บิทัลภายในของอะตอมหนักและอะตอมเบา

ความถี่ของเส้นของสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์ที่มีลักษณะเฉพาะจะเปลี่ยนไปตามเลขอะตอมของโลหะและกำหนดโดยสมการของโมสลีย์: v 1/2 = อา(Z-B), ที่ไหน Z- เลขอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี อาและ บี- ค่าคงที่

กลไกหลักทางกายภาพของปฏิสัมพันธ์ของรังสีเอกซ์กับสสาร

ปฏิสัมพันธ์หลักระหว่างรังสีเอกซ์และสสารมีลักษณะเป็นสามกลไก:

1. การกระเจิงที่สอดคล้องกัน. ปฏิสัมพันธ์รูปแบบนี้เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนเอ็กซ์เรย์มีพลังงานน้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสของอะตอม ในกรณีนี้ พลังงานของโฟตอนไม่เพียงพอที่จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของสสาร โฟตอนไม่ได้ถูกดูดซับโดยอะตอม แต่เปลี่ยนทิศทางของการแพร่กระจาย ในกรณีนี้ ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

2. เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก). เมื่อโฟตอนเอ็กซ์เรย์ไปถึงอะตอมของสสาร ก็สามารถทำให้อิเล็กตรอนตัวหนึ่งกระเด็นออกไปได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อพลังงานโฟตอนเกินพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส ในกรณีนี้ โฟตอนจะถูกดูดกลืน และอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกจากอะตอม ถ้าโฟตอนมีพลังงานมากกว่าที่จำเป็นในการปลดปล่อยอิเล็กตรอน มันจะถ่ายเทพลังงานที่เหลือไปยังอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในรูปของพลังงานจลน์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เกิดขึ้นเมื่อรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานค่อนข้างต่ำถูกดูดกลืน

อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัวจะกลายเป็นไอออนบวก อายุการใช้งานของอิเล็กตรอนอิสระนั้นสั้นมาก พวกมันถูกดูดซับโดยอะตอมที่เป็นกลางซึ่งจะกลายเป็นไอออนลบ ผลของโฟโตอิเล็กทริกเป็นผลให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนอย่างเข้มข้นของสสาร

หากพลังงานของโฟตอนเอ็กซ์เรย์น้อยกว่าพลังงานไอออไนเซชันของอะตอม อะตอมก็จะเข้าสู่สถานะตื่นเต้นแต่จะไม่แตกตัวเป็นไอออน

3. การกระเจิงที่ไม่ต่อเนื่องกัน (เอฟเฟกต์คอมป์ตัน). ผลกระทบนี้ถูกค้นพบโดยคอมป์ตันนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เกิดขึ้นเมื่อสารดูดซับรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นน้อย พลังงานโฟตอนของรังสีเอกซ์ดังกล่าวมีมากกว่าพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมของสารเสมอ เอฟเฟกต์คอมป์ตันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ของโฟตอนเอ็กซ์เรย์พลังงานสูงกับอิเล็กตรอนตัวหนึ่งในเปลือกนอกของอะตอม ซึ่งมีพันธะที่ค่อนข้างอ่อนกับนิวเคลียสของอะตอม

โฟตอนพลังงานสูงถ่ายเทพลังงานบางส่วนไปยังอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะถูกปลดปล่อยออกจากอะตอม พลังงานที่เหลือของโฟตอนดั้งเดิมถูกปล่อยออกมาเป็นโฟตอนเอ็กซ์เรย์ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าในบางมุมกับทิศทางของโฟตอนปฐมภูมิ โฟตอนทุติยภูมิสามารถแตกตัวเป็นไอออนอะตอมอื่นได้ เป็นต้น การเปลี่ยนแปลงในทิศทางและความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์เหล่านี้เรียกว่าเอฟเฟกต์คอมป์ตัน

ผลกระทบบางประการของปฏิสัมพันธ์ของรังสีเอกซ์กับสสาร

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น รังสีเอกซ์สามารถกระตุ้นอะตอมและโมเลกุลของสสารได้ ซึ่งอาจทำให้เกิดการเรืองแสงของสารบางชนิด (เช่น ซิงค์ซัลเฟต) หากรังสีเอกซ์ขนานกันพุ่งตรงไปที่วัตถุทึบแสง ก็สามารถสังเกตรังสีผ่านวัตถุได้โดยวางตะแกรงเคลือบด้วยสารเรืองแสง

หน้าจอเรืองแสงสามารถเปลี่ยนได้ด้วยฟิล์มถ่ายภาพ รังสีเอกซ์มีผลเช่นเดียวกันกับอิมัลชันการถ่ายภาพเช่นเดียวกับแสง ทั้งสองวิธีใช้ในการแพทย์เชิงปฏิบัติ

ผลกระทบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของรังสีเอกซ์คือความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออน ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นและพลังงาน ผลกระทบนี้เป็นวิธีการวัดความเข้มของรังสีเอกซ์ เมื่อรังสีเอกซ์ผ่านเข้าไปในห้องไอออไนซ์ จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งขนาดจะเป็นสัดส่วนกับความเข้มของรังสีเอกซ์

การดูดกลืนรังสีเอกซ์โดยสสาร

เมื่อรังสีเอกซ์ผ่านสสาร พลังงานจะลดลงเนื่องจากการดูดกลืนและการกระเจิง การลดลงของความเข้มของรังสีเอกซ์คู่ขนานที่ผ่านสารถูกกำหนดโดยกฎของ Bouguer: ผม = I0 e -μd, ที่ไหน ฉัน 0- ความเข้มเริ่มต้นของรังสีเอกซ์ ฉันคือ ความเข้มของรังสีเอกซ์ที่ผ่านชั้นของสสาร ง-ดูดซับความหนาของชั้น , μ - ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนเชิงเส้น จะเท่ากับผลรวมของสองปริมาณ: t- ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนเชิงเส้นและ σ - ค่าสัมประสิทธิ์การกระเจิงเชิงเส้น: μ = τ+ σ

ในการทดลองพบว่าค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนเชิงเส้นขึ้นอยู่กับเลขอะตอมของสารและความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ ดังนี้

τ = kρZ 3 λ 3, ที่ไหน k- สัมประสิทธิ์สัดส่วนโดยตรง ρ - ความหนาแน่นของสาร Zคือเลขอะตอมของธาตุ λ คือความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์

การพึ่งพา Z มีความสำคัญมากจากมุมมองเชิงปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของกระดูกซึ่งประกอบด้วยแคลเซียมฟอสเฟตนั้นสูงกว่าค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของเนื้อเยื่ออ่อนเกือบ 150 เท่า ( Z=20 สำหรับแคลเซียมและ Z=15 สำหรับฟอสฟอรัส) เมื่อรังสีเอกซ์ผ่านร่างกายมนุษย์ กระดูกจะโดดเด่นอย่างชัดเจนเมื่อตัดกับพื้นหลังของกล้ามเนื้อ เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน ฯลฯ

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าอวัยวะย่อยอาหารมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมเท่ากับเนื้อเยื่ออ่อนอื่นๆ แต่เงาของหลอดอาหารกระเพาะอาหารและลำไส้สามารถแยกแยะได้หากผู้ป่วยกลืนกินสารตัดกัน - แบเรียมซัลเฟต ( Z= 56 สำหรับแบเรียม) แบเรียมซัลเฟตมีความทึบแสงมากต่อการเอ็กซ์เรย์ และมักใช้สำหรับการตรวจเอ็กซ์เรย์ของทางเดินอาหาร สารผสมทึบแสงบางชนิดจะถูกฉีดเข้าไปในกระแสเลือดเพื่อตรวจสอบสภาพของหลอดเลือด ไต และอื่นๆ ในกรณีนี้ไอโอดีนถูกใช้เป็นสารตัดกันซึ่งมีเลขอะตอมเท่ากับ 53

การพึ่งพาการดูดกลืนรังสีเอกซ์บน Zยังใช้เพื่อป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากรังสีเอกซ์ เพื่อจุดประสงค์นี้ ใช้ตะกั่ว ค่า Zซึ่งก็คือ 82

การใช้รังสีเอกซ์ในการแพทย์

สาเหตุของการใช้รังสีเอกซ์ในการวินิจฉัยคือพลังการทะลุทะลวงสูงซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุหลัก คุณสมบัติของเอ็กซ์เรย์. ในช่วงแรก ๆ ของการค้นพบ รังสีเอกซ์ถูกใช้เป็นหลักเพื่อตรวจสอบการแตกหักของกระดูกและค้นหาสิ่งแปลกปลอม (เช่น กระสุน) ในร่างกายมนุษย์ ปัจจุบันมีวิธีการวินิจฉัยหลายวิธีโดยใช้ X-ray (การวินิจฉัยด้วย X-ray)

ส่องกล้อง . อุปกรณ์เอ็กซ์เรย์ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ (หลอดเอ็กซ์เรย์) และหน้าจอเรืองแสง หลังจากที่เอ็กซ์เรย์ผ่านร่างกายของผู้ป่วย แพทย์จะสังเกตภาพเงาของผู้ป่วย ควรติดตั้งหน้าต่างตะกั่วระหว่างหน้าจอกับดวงตาของแพทย์ เพื่อป้องกันแพทย์จากผลกระทบที่เป็นอันตรายของรังสีเอกซ์ วิธีนี้ทำให้สามารถศึกษาสถานะการทำงานของอวัยวะบางส่วนได้ ตัวอย่างเช่น แพทย์สามารถสังเกตการเคลื่อนไหวของปอดได้โดยตรง การผ่านของสารตัดกันผ่านทางเดินอาหาร ข้อเสียของวิธีนี้คือภาพคอนทราสต์ไม่เพียงพอและปริมาณรังสีที่ค่อนข้างสูงที่ผู้ป่วยได้รับระหว่างการทำหัตถการ

การถ่ายภาพรังสี . วิธีนี้ประกอบด้วยการถ่ายภาพส่วนหนึ่งของร่างกายผู้ป่วย ตามกฎแล้วจะใช้สำหรับการศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับสภาพของอวัยวะภายในของผู้ป่วยที่ใช้รังสีเอกซ์ในปริมาณต่ำ

การถ่ายภาพรังสี (เอกซเรย์ถ่ายภาพรังสี). นี่เป็นวิธีการวิจัยโดยใช้รังสีเอกซ์ ซึ่งภาพจะถูกบันทึกลงบนฟิล์มถ่ายภาพ ภาพถ่ายมักจะถ่ายในระนาบตั้งฉากสองระนาบ วิธีนี้มีข้อดีบางประการ ภาพถ่ายเอ็กซ์เรย์มีรายละเอียดมากกว่าภาพบนหน้าจอฟลูออเรสเซนต์ จึงมีข้อมูลมากกว่า สามารถบันทึกเพื่อการวิเคราะห์เพิ่มเติม ปริมาณรังสีทั้งหมดน้อยกว่าที่ใช้ในฟลูออโรสโคปี

เอกซเรย์คอมพิวเตอร์เอกซ์เรย์ . เครื่องสแกนเอกซเรย์ในแนวแกนด้วยคอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์วินิจฉัยเอ็กซ์เรย์ที่ทันสมัยที่สุดที่ช่วยให้คุณได้ภาพที่ชัดเจนของส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายมนุษย์รวมถึงเนื้อเยื่ออ่อนของอวัยวะ

เครื่องสแกนเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) รุ่นแรกมีหลอดเอ็กซ์เรย์พิเศษติดอยู่กับโครงทรงกระบอก รังสีเอกซ์บาง ๆ จะพุ่งไปที่ผู้ป่วย เครื่องตรวจจับเอ็กซเรย์สองตัวติดอยู่ที่ด้านตรงข้ามของเฟรม ผู้ป่วยอยู่ตรงกลางของเฟรมซึ่งสามารถหมุนได้ 180 0 รอบร่างกายของเขา

ลำแสงเอ็กซ์เรย์ทะลุผ่านวัตถุที่อยู่นิ่ง เครื่องตรวจจับรับและบันทึกค่าการดูดซึมของเนื้อเยื่อต่างๆ การบันทึกทำได้ 160 ครั้งในขณะที่หลอดเอ็กซ์เรย์เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงไปตามระนาบที่สแกน จากนั้นเฟรมจะหมุน 10 0 และทำซ้ำขั้นตอน การบันทึกจะดำเนินต่อไปจนกว่าเฟรมจะหมุน 180 0 . เครื่องตรวจจับแต่ละตัวบันทึก 28800 เฟรม (180x160) ระหว่างการศึกษา ข้อมูลถูกประมวลผลโดยคอมพิวเตอร์และภาพของเลเยอร์ที่เลือกนั้นถูกสร้างขึ้นโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์พิเศษ

CT รุ่นที่สองใช้ลำแสง X-ray หลายเครื่องและเครื่องตรวจจับ X-ray สูงสุด 30 เครื่อง ทำให้สามารถเร่งกระบวนการวิจัยได้ถึง 18 วินาที

CT รุ่นที่สามใช้หลักการใหม่ ลำแสงรังสีเอกซ์รูปพัดกว้างครอบคลุมวัตถุที่กำลังศึกษา และรังสีเอกซ์ที่ผ่านร่างกายจะถูกบันทึกโดยเครื่องตรวจจับหลายร้อยเครื่อง เวลาที่ใช้ในการวิจัยลดลงเหลือ 5-6 วินาที

CT มีข้อดีมากกว่าวิธีการวินิจฉัยด้วย X-ray รุ่นก่อนๆ มากมาย มีความละเอียดสูงซึ่งทำให้สามารถแยกแยะการเปลี่ยนแปลงที่ละเอียดอ่อนในเนื้อเยื่ออ่อนได้ CT ช่วยในการตรวจจับกระบวนการทางพยาธิวิทยาที่ไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยวิธีการอื่น นอกจากนี้ การใช้ CT ทำให้สามารถลดปริมาณรังสีเอกซ์ที่ผู้ป่วยได้รับในระหว่างกระบวนการวินิจฉัย