Рентгеновские лучи. Физика рентгеновского излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Рентгеновские лучи

Может быть, и не все слышали об инфракрасных и ультрафиолетовых лучах, но о существовании рентгеновских лучей, конечно, знают все. Эти замечательные лучи проникают сквозь непрозрачные для обычного света тела.

Поглощение рентгеновских лучей пропорционально плотности вещества.

Например: плотность серебра равна 10,5 г/см, значит, серебро поглощает 10 г/см.

· Поэтому с помощью рентгеновских лучей можно получать фотографии внутренних органов человека. На этих фотографиях хорошо различимы кости скелета и места различных перерождений мягких тканей.

2. Открытие рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Рентген умел наблюдать, замечать новое там, где многие учёные до него не обнаруживали ничего примечательного. Этот особый дар помог ему сделать замечательное открытие. В конце XIX века всеобщее внимание физиков привлёк газовый разряд при малом давлении. При этих условиях в газоразрядной трубке создавались потоки очень быстрых электронов. В то время их называли катодными лучами. Природа таких лучей ещё не была с достоверностью установлена. Известно было лишь, что они берут начало на катоде трубки.

Занявшись исследованием катодных лучей, Рентген скоро заметил, что фотопластинка вблизи разрядной трубки оказывалась засвеченной даже в том случае, когда она была завёрнута в чёрную бумагу. После этого ему удалось наблюдать ещё одно очень поразившее его явление. Бумажный экран, смоченный раствором платино-синеродистого бария, начинал светиться, если им обертывалась разрядная трубка. Причём когда Рентген держал руку между трубкой и экраном, то на экране были видны тёмные тени костей на фоне более светлых очертаний всей кисти руки.

Учёный понял, что при работе разрядной трубки возникает какое-то неизвестное ранее сильно проникающее излучение. Он назвал его X-лучами. Впоследствии за этим излучением прочно укрепился термин «рентгеновские лучи».

Рентген обнаружил, что новое излучение появлялось в том месте, где катодные лучи (потоки быстрых электронов) сталкивались со стеклянной стенкой трубки. В этом месте стекло светилось зеленоватым цветом.

Последующие опыты показали, что X - лучи возникают при торможении быстрых электронов любым препятствие, в частности металлическими электродами.

3. Свойства рентгеновских лучей

Лучи, открытые Рентгеном, действовали на фотопластинку, вызывали ионизацию воздуха, но заметным образом не отражались от каких - либо веществ и не испытывали преломления. Электромагнитное поле не оказывало никакого влияния на направление их распространения.

Сразу возникло предположение, что рентгеновские лучи - это электромагнитные волны, которые излучаются при резком торможении электронов. В отличие от световых лучей видимого участка спектра и ультрафиолетовых лучей рентгеновские лучи имеют гораздо меньшую длину волны. Их длина волны тем меньше, чем больше энергия электронов, сталкивающихся с препятствием. Большая проникающая способность рентгеновских лучей и прочие их особенности связывались именно с малой длиной волны. Но эта гипотеза нуждалась в доказательствах, и доказательства были получены спустя 15 лет после смерти Рентгена.

4. Применение рентгеновских лучей

рентгеновский луч излучение рентген

Рентгеновские лучи нашли себе много очень важных практических применений.

В медицине они применяются для постановки правильного диагноза заболевания, а также для лечения раковых заболеваний.

Весьма обширны применения рентгеновских лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удается установить порядок расположения атомов в пространстве - структуру кристаллов. Сделать это для неорганических кристаллических веществ оказалось не очень сложно.

Но с помощью рентгеноструктурного анализа удается расшифровать строение сложнейших органических соединений, включая белки. В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов. При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

Рентгенотерапия -- раздел лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20--60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3--7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180--400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30--150 см (дистанционная рентгенотерапия).

Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате комптон-эффекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.

Рентгеновские лучи предназначены для диагностики многих заболеваний:

· Костной системы.

· ЛОР органов.

· Сердце.

· Лёгкие.

· Органов живота.

· Почек.

Рентгеновские обследования проводятся в кабинетах, при необходимости в палатах. Обязательно соблюдаются правила радиационной безопасности. Есть общие и индивидуальные средства защиты от ионизирующего излучения.

Общие:

· Стены в кабинетах покрыты баритом.

· Двери просвинцованы.

· На аппаратах специальные защитные фартуки-ширмы.

Индивидуальные:

· Фартуки.

· Разные пластины.

· Перчатки.

· Очки и другие приспособления.

Рентгеновская плёнка покрыта серебром.

Сейчас есть плёнка без серебра, которая используется только в аппаратах оснащённых цифровой обработкой.

При рентгене внутренних органов человеку в организм вводят контрастные вещества:

· Раствор серно-кислого бария (BaSO4) для исследования желудочно-кишечного тракта.

· Для исследования других органов используются водорастворимые контрастные вещества: ураграфик, омнипак.

Смертельная доза для человека - 600 бэр за один раз. За один сеанс рентгеноскопии человек получает от 3 до 66 бэр. В зависимости от длительности сеанса и исследуемого участка тела (рентген легких порядка 3-7 бэр, тазобедренного сустава -- 66).

1 рентген -- это такая доза рентгеновских (или гамма) лучей, при которой в 1 см3 воздуха образуется 2,08*109 пар ионов (или в 1 г воздуха -1,61*1012 пар ионов). 1 бэр (биологический эквивалент рентгена) -- доза любого излучения, которая производит такое же биологическое действие, как рентгеновское или гамма-излучение в 1 рентген.

5. Как образуются? Устройство рентгеновской трубки

В настоящее время для получения рентгеновских лучей разработаны весьма совершенные устройства, называемые рентгеновскими трубками.

Упрощённая схема электронной рентгеновской трубки.

Катод (K) представляет собой вольфрамовую спираль, испускающую электроны за счёт термоэлектронной эмиссии. Цилиндр фокусирует поток электронов, которые затем соударяются с металлическим электродом (анодом) А. При этом появляются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создается глубокий вакуум; давление газа в ней не превышает 10 мм рт. ст. В мощных рентгеновских трубках анод охлаждается проточной водой, так как при торможении электронов выделяется большое количество теплоты. В полезное излучение превращается лишь около 3% энергии электронов. Рентгеновские лучи имеют длины волн в диапазоне от 10 до 10 м. Они обладают большой проникающей способностью и используются в медицине, а также для исследования структуры кристаллов и сложных органических молекул (как было упомянуто раньше).

Размещено на Allbest.ru