Рентгеновское излучение

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

1. Рентгеновское излучение

2. История возникновения рентгеновских лучей

3. Дифракция

4. Дифракция рентгеновских лучей

1. Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение (синоним рентгеновские лучи) -- это электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн (от 8·10^-6 до 10^-12 см). Рентгеновское излучение возникает при торможении заряженных частиц, чаще всего электронов, в электрическом поле атомов вещества.

Образующиеся при этом кванты рентгеновского излучения имеют различную энергию и образуют непрерывный спектр. Максимальная энергия квантов в таком спектре равна энергии налетающих электронов. В рентгеновской трубке (см.) максимальная энергия квантов рентгеновского излучения, выраженная в килоэлектрон-вольтах, численно равна величине приложенного к трубке напряжения, выраженного в киловольтах. При прохождении через вещество рентгеновское излучение взаимодействует с электронами его атомов.

Для квантов рентгеновского излучения с энергией до 100 кэв наиболее характерным видом взаимодействия является фотоэффект. В результате такого взаимодействия энергия кванта полностью расходуется на вырывание электрона из атомной оболочки и сообщения ему кинетической энергии. С ростом энергии кванта рентгеновского излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и преобладающим становится процесс рассеяния квантов на свободных электронах -- так называемый комптон-эффект.

В результате такого взаимодействия также образуется вторичный электрон и, кроме того, вылетает квант с энергией меньшей, чем энергия первичного кванта.

Если энергия кванта рентгеновского излучения превышает один мегаэлектрон-вольт, может иметь место так называемый эффект образования пар, при котором образуются электрон и позитрон (см. Атом). Следовательно, при прохождении через вещество происходит уменьшение энергии рентгеновского излучения, т. е. уменьшение его интенсивности.

Поскольку при этом с большей вероятностью происходит поглощение квантов низкой энергии, то имеет место обогащение рентгеновского излучения квантами более высокой энергии. Это свойство рентгеновского излучения используют для увеличения средней энергии квантов, т. е. для увеличения его жесткости.

Достигается увеличение жесткости рентгеновского излучения использованием специальных фильтров (см.Рентгеновские фильтры). Рентгеновское излучение применяют для рентгенодиагностики (см. Рентгенологическое исследование) и рентгенотерапии (см.)

Рентгеновское излучение (синоним: рентгеновские лучи, рентгеновы лучи) -- квантовое электромагнитное излучение с длиной волны от 250 до 0,025 А (или квантов анергии от 5·10^-2 до 5·10² кэв). В 1895 г. открыто В. К. Рентгеном. рентгеновский спектр дифракционный

Смежную с рентгеновским излучением спектральную область электромагнитного излучения, кванты энергии которого превышают 500 кэв, называют гамма-излучением (см.); излучение, кванты энергии которого ниже значений 0,05 кэв, составляет ультрафиолетовое излучение (см.). Таким образом, представляя относительно небольшую часть обширного спектра электромагнитных излучений, в который входят и радиоволны и видимый свет, рентгеновское излучение, как всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света (в пустоте около 300 тыс. км/сек) и характеризуется длиной волны л (расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания).

Рентгеновское излучение обладает также рядом других волновых свойств (преломление, интерференция, дифракция), однако наблюдать их значительно сложнее, чем у более длинноволнового излучения: видимого света, радиоволн.

Спектры рентгеновского излучения: а1 -- сплошной тормозной спектр при 310 кв; а-- сплошной тормозной спектр при 250 кв, а1 -- спектр, фильтрованный 1 мм Cu, а2 -- спектр, фильтрованный 2 мм Cu, б -- К-серия линии вольфрама.

Для генерирования рентгеновского излучения применяют рентгеновские трубки (см.), в которых излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с атомами вещества анода. Различают Р. и. двух видов: тормозное и характеристическое. Тормозное Р. и., имеющее сплошной спектр, подобно обычному белому свету.

Распределение интенсивности в зависимости от длины волны (рис.) представляется кривой с максимумом; в сторону длинных волн кривая спадает полого, а в сторону коротких -- круто и обрывается при определенной длине волны (л0), называемой коротковолновой границей сплошного спектра.

Величина л0 обратно пропорциональна напряжению на трубке. Тормозное излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с ядрами атомов. Интенсивность тормозного излучения прямо пропорциональна силе анодного тока, квадрату напряжения на трубке и атомному номеру (Z) вещества анода.

Если энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов превосходит критическую для вещества анода величину (эта энергия определяется критическим для этого вещества напряжением на трубке Vкр), то возникает характеристическое излучение.

Характеристический спектр -- линейчатый, его спектральные линии образуют серии, обозначаемые буквами К, L, М, N. Серия К -- самая коротковолновая, серия L -- более длинноволновая, серии М и N наблюдаются только у тяжелых элементов (Vкр вольфрама для К-серии -- 69,3 кв, для L-серии -- 12,1 кв).

Характеристическое излучение возникает следующим образом. Быстрые электроны выбивают атомные электроны из внутренних оболочек. Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних, менее связанных оболочек заполняют освободившиеся во внутренних оболочках места, и излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергий атома в возбужденном и основном состоянии. Эта разность (а следовательно, и энергия фотона) имеет определенное значение, характерное для каждого элемента. Это явление лежит в основе рентгеноспектрального анализа элементов.

На рисунке виден линейчатый спектр вольфрама на фоне сплошного спектра тормозного излучения. Энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов преобразуется почти целиком в тепловую (анод при этом сильно нагревается), лишь незначительная часть (около 1% при напряжении, близком к 100 кв) превращается в энергию тормозного излучения.

Применение рентгеновского излучения в медицине основано на законах поглощения рентгеновых лучей веществом. Поглощение Р. и. совершенно не зависит от оптических свойств вещества поглотителя. Бесцветное и прозрачное свинцовое стекло, используемое для защиты персонала рентгеновских кабинетов, практически полностью поглощает рентгеновское излучение.

Напротив, лист бумаги, не прозрачный для света, не ослабляет Р. и. Интенсивность однородного (т. е. определенной длины волны) пучка рентгеновского излучения при прохождении через слой поглотителя уменьшается по экспоненциальному закону (е-х), где е -- основание натуральных логарифмов (2,718), а показатель экспоненты х равен произведению массового коэффициента ослабления (м/р) см²/г на толщину поглотителя в г/см² (здесь р -- плотность вещества в г/см³). Ослабление рентгеновского излучения происходит как за счет рассеяния, так и за счет поглощения.

Соответственно массовый коэффициент ослабления является суммой массовых коэффициентов поглощения и рассеяния. Массовый коэффициент поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера (Z) поглотителя (пропорционально Z3 или Z5) и с увеличением длины волны (пропорционально л3).

Указанная зависимость от длины волны наблюдается в пределах полос поглощения, на границах которых коэффициент обнаруживает скачки. Массовый коэффициент рассеяния возрастает с увеличением атомного номера вещества. При л?0,ЗЕ коэффициент рассеяния от длины волны не зависит, при л<0,ЗЕ он уменьшается с уменьшением л. Уменьшение коэффициентов поглощения и рассеяния с уменьшением длины волны обусловливает возрастание проникающей способности рентгеновского излучения.

Массовый коэффициент поглощения для костей [поглощение в основном обусловлено Са₃ (РO₄)₂] почти в 70 раз больше, чем для мягких тканей, где поглощение в основном обусловлено водой. Это объясняет, почему на рентгенограммах так резко выделяется тень костей на фоне мягких тканей.

Распространение неоднородного пучка рентгеновского излучения через любую среду наряду с уменьшением интенсивности сопровождается изменением спектрального состава, изменением качества излучения: длинноволновая часть спектра поглощается в большей степени, чем коротковолновая, излучение становится более однородным. Отфильтровывание длинноволновой части спектра позволяет при рентгенотерапии очагов, глубоко расположенных в теле человека, улучшить соотношение между глубинной и поверхностной дозами (см. Рентгеновские фильтры).

Для характеристики качества неоднородного пучка рентгеновых лучей используется понятие «слой половинного ослабления (Л)» -- слой вещества, ослабляющий излучение наполовину.

Толщина этого слоя зависит от напряжения на трубке, толщины и материала фильтра. Для измерения слоев половинного ослабления используют целлофан (до энергии 12 кэв), алюминий (20--100 кэв), медь (60--300 кэв), свинец и медь (>300 кэв). Для рентгеновых лучей, генерируемых при напряжениях 80--120 кв, 1 мм меди по фильтрующей способности эквивалентен 26 мм алюминия, 1 мм свинца -- 50,9 мм алюминия.

Поглощение и рассеяние рентгеновского излучения обусловлено его корпускулярными свойствами; Р. и. взаимодействует с атомами как поток корпускул (частиц) -- фотонов, каждый из которых имеет определенную энергию (обратно пропорциональную длине волны Р. и.). Интервал энергий рентгеновских фотонов 0,05--500 кэв. Поглощение Р. и. обусловлено фотоэлектрическим эффектом: поглощение фотона электронной оболочкой сопровождается вырыванием электрона. Атом возбуждается и, возвращаясь в основное состояние, испускает характеристическое излучение. Вылетающий фотоэлектрон уносит всю энергию фотона (за вычетом энергии связи электрона в атоме).

Рассеяние рентгеновского излучения обусловлено электронами рассеивающей среды. Различают классическое рассеяние (длина волны излучения не меняется, но меняется направление распространения) и рассеяние с изменением длины волны -- комптон-эффект (длина волны рассеянного излучения больше, чем падающего).

В последнем случае фотон ведет себя как движущийся шарик, а рассеяние фотонов происходит, по образному выражению Комнтона, наподобие игры на бильярде фотонами и электронами: сталкиваясь с электроном, фотон передает ему часть своей энергии и рассеивается, обладая уже меньшей энергией (соответственно длина волны рассеянного излучения увеличивается), электрон вылетает из атома с энергией отдачи (эти электроны называют комптон-электронами, или электронами отдачи).

Поглощение энергии рентгеновского излучения происходит при образовании вторичных электронов (комптон - и фотоэлектронов) и передаче им энергии. Энергия Р. и., переданная единице массы вещества, определяет поглощенную дозу Р. и. Единица этой дозы 1 рад соответствует 100 эрг/г. За счет поглощенной энергии в веществе поглотителя протекает ряд вторичных процессов, имеющих важное значение для дозиметрии Р. и., так как именно на них основываются методы измерения Р. и. (см. Дозиметрия).

Все газы и многие жидкости, полупроводники и диэлектрики под действием рентгеновского излучения увеличивают электрическую проводимость. Проводимость обнаруживают лучшие изоляционные материалы: парафин, слюда, резина, янтарь. Изменение проводимости обусловлено ионизацией среды, т. е. разделением нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (ионизацию производят вторичные электроны).

Ионизация в воздухе используется для определения экспозиционной дозы рентгеновского излучения (дозы в воздухе), которая измеряется в рентгенах (см. Дозы ионизирующих излучений). При дозе в 1 р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад. Под действием рентгеновского излучения в результате возбуждения молекул вещества (и при рекомбинации ионов) возбуждается во многих случаях видимое свечение вещества. При больших интенсивностях Р. и. наблюдается видимое свечение воздуха, бумаги, парафина и т. п. (исключение составляют металлы).

Наибольший выход видимого свечения дают такие кристаллические люминофоры, как Zn·CdS·Ag-фосфор и другие, применяемые для экранов при рентгеноскопии. Под действием рентгеновского излучения в веществе могут проходить также различные химические процессы: разложение галоидных соединений серебра (фотографический эффект, используемый при рентгенографии), разложение воды и водных растворов перекиси водорода, изменение свойств целлулоида (помутнение и выделение камфоры), парафина (помутнение и отбелка).

В результате полного преобразования вся поглощенная химически инертным веществом энергия Р. и. превращается в теплоту. Измерение очень малых количеств теплоты требует высокочувствительных методов, зато является основным способом абсолютных измерений Р. и. Вторичные биологические эффекты от воздействия рентгеновского излучения являются основой медицинской рентгенотерапии (см.). Р. и., кванты которых составляют 6--16 кэв (эффективные длины волн от 2 до 5 Е), практически полностью поглощаются кожным покровом ткани человеческого тела; они называются пограничными лучами, или иногда лучами Букки (см. Букки лучи).

Для глубокой рентгенотерапии применяется жесткое фильтрованное излучение с эффективными квантами энергии от 100 до 300 кэв. Биологическое действие Р. и. должно учитываться не только при рентгенотерапии, но и при рентгенодиагностике, а также во всех других случаях контакта с Р. и., требующих применения противолучевой защиты .

История возникновения рентгеновских лучей

Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895 года. В тот день Рентген допоздна работал в своей лаборатории. Уже собираясь уходить, он затушил лампу и вдруг в темноте увидел легкое зеленоватое свечение. Светилось вещество в баночке, стоящей на столе. Рентген увидел, что забыл отключить один прибор - электронную вакуумную трубку. Он отключил трубку - свечение исчезло, снова включил - появилось. Самым удивительным было то, что прибор стоял в одном углу лаборатории, а баночка со светящимся веществом - в другом. Значит, решил ученый, от прибора исходит какое-то неизвестное излучение.

Понимая, что столкнулся с новым явлением, Рентген начал внимательно исследовать загадочные лучи. Напротив трубки он установил экран и, чтобы определить силу излучения, помещал между ними разные предметы. Книга, доска, листы бумаги - все они оказались прозрачными для лучей. Рентген подставил под лучи коробку с набором гирь.

Первый в истории рентгеновский снимок

На экране стали хорошо видны их тени. Под пучок лучей случайно попала рука ученого. Рентген замер на месте. Он увидел собственные двигающиеся кости руки. Костная ткань подобно металлу оказалась непроницаема для лучей.

Первой о выдающемся открытии рентгеновских лучей узнала жена ученого. Рентген с помощью Х-лучей сфотографировал руку фрау Берты. Это был первый в истории рентгеновский снимок.

Рентген продолжал исследование открытых лучей, проверяя и перепроверяя полученные результаты.

Свое открытие он описал в рукописи «О новом виде лучей», которую отправил в Вюрцбургское физико-медицинское общество.

Дифракция

Дифрамкция вомлн- это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.

Дифракция рентгеновских лучей

Расстояние между атомами в кристалле (10-10 м) сопоставима с длиной волны рентгеновского излучения, поэтому кристаллическая решетка может служить пространственной дифракционной решеткой для рентгеновских лучей. Если на кристалл направить поток рентгеновского излучения от рентгеновской трубки с непрерывным спектром, то для данного кристалла найдутся лучи с такой длиной волны, что условия дифракции выполняется.

Расчет дифракционной картины от кристаллической решетки можно провести следующим простым способом. Проведем через узлы кристаллической решетки параллельных равноудалены плоскости (атомные плоскости).

Если падающая на кристалл волна - плоская, то и огибающая вторичных волн, которые порождены атомами данного атомного слоя, также будет плоскостью. Плоские вторичные волны, отраженные от различных атомных плоскостей, - когерентные и будут давать интерференционную картину.

При этом, как и в случае дифракционной решетки, вторичные волны будут практически гасить друг друга во всех направлениях, кроме тех, для которых разность хода между соседними волнами будет кратной. Видно, что разность хода для волн, которые уклонились от соседних атомных плоскостей, равно 2dsin где d - период кристаллической решетки, - угол скольжения падающих лучей.

Направления, в которых наблюдаются дифракционные максимумы, определяются условием Вульфа-Брэгга

Наличие многих атомных плоскостей приводит лишь к тому, что максимумы интенсивностей становятся более острыми, как и при увеличении числа щелей дифракционной решетки. Дифракции рентгеновских лучей от кристаллов имеет два основных практических применения. Она используется для определения спектрального состава рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия).

Определяя направления дифракционных максимумов исследуемого рентгеновского излучения от кристаллов с известной структурой, можно вычислить длины волн.

Второе практическое использование - изучение структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ). В этом случае по известным спектральным составом падающего излучения находят межатомные расстояния в кристалле. Существуют различные методики рентгеноструктурного анализа (метод Лауэ, метод Дебая).

Размещено на Allbest.ru