RTG ZRAČENJE
rendgensko zračenje zauzima područje elektromagnetnog spektra između gama i ultraljubičastog zračenja i predstavlja elektromagnetno zračenje talasne dužine od 10 -14 do 10 -7 m. Koristi se rendgensko zračenje talasne dužine od 5 x 10 -12 do 2,5 x 10 -10 u medicini m, odnosno 0,05 - 2,5 angstroma, a zapravo za rendgensku dijagnostiku - 0,1 angstroma. Zračenje je tok kvanta (fotona) koji se širi pravolinijski brzinom svjetlosti (300.000 km/s). Ovi kvanti nemaju električni naboj. Masa kvanta je beznačajan dio jedinice atomske mase.
Kvantna energija mjereno u džulima (J), ali u praksi često koriste vansistemsku jedinicu "elektron volt" (eV) . Jedan elektron volt je energija koju jedan elektron dobije kada prođe kroz potencijalnu razliku od 1 volta u električnom polju. 1 eV \u003d 1,6 10 ~ 19 J. Derivati su kiloelektron volt (keV), jednak hiljadu eV, i megaelektron volt (MeV), jednak milion eV.
X-zrake se dobijaju pomoću rendgenskih cijevi, linearnih akceleratora i betatrona. U rendgenskoj cijevi, razlika potencijala između katode i ciljne anode (desetine kilovolti) ubrzava elektrone koji bombardiraju anodu. Rendgensko zračenje nastaje kada se brzi elektroni usporavaju u električnom polju atoma anodne supstance (kočni zrak) ili prilikom preuređivanja unutrašnjih omotača atoma (karakteristično zračenje) . Karakteristični rendgenski zraci ima diskretni karakter i nastaje kada elektroni atoma anodne supstance prelaze sa jednog energetskog nivoa na drugi pod uticajem spoljašnjih elektrona ili kvanta zračenja. Rendgen s kočnim zrakama ima kontinuirani spektar ovisno o anodnom naponu na rendgenskoj cijevi. Prilikom usporavanja u materijalu anode, elektroni troše većinu svoje energije na zagrijavanje anode (99%) i samo mali dio (1%) se pretvara u energiju rendgenskih zraka. U rendgenskoj dijagnostici najčešće se koristi kočni zrak.
Osnovna svojstva rendgenskih zraka karakteristična su za sva elektromagnetna zračenja, ali postoje neke karakteristike. X-zraci imaju sledeća svojstva:
- nevidljivost - osjetljive ćelije ljudske retine ne reagiraju na rendgenske zrake, jer je njihova valna dužina hiljadama puta manja od vidljive svjetlosti;
- pravolinijsko širenje - zraci se lome, polariziraju (šire se u određenoj ravni) i difraktiraju, poput vidljive svjetlosti. Indeks loma se vrlo malo razlikuje od jedinice;
- prodorna moć - prodiru bez značajne apsorpcije kroz značajne slojeve supstance koja je neprozirna za vidljivu svjetlost. Što je talasna dužina kraća, to je veća moć prodiranja rendgenskih zraka;
- upijanje - imaju sposobnost da se apsorbuju u tkivima tela, to je osnova svake rendgenske dijagnostike. Sposobnost apsorpcije zavisi od specifične težine tkiva (što je veća, to je veća apsorpcija); na debljini objekta; na tvrdoću zračenja;
- fotografska akcija - razgrađuju jedinjenja srebrnog halogenida, uključujući ona koja se nalaze u fotografskim emulzijama, što omogućava dobijanje rendgenskih zraka;
- luminiscentno djelovanje - izazivaju luminescenciju niza hemijskih jedinjenja (fosfora), to je osnova tehnike prenosa rendgenskih zraka. Intenzitet sjaja zavisi od strukture fluorescentne supstance, njene količine i udaljenosti od izvora rendgenskih zraka. Fosfori se koriste ne samo za dobijanje slike objekata koji se proučavaju na fluoroskopskom ekranu, već i u radiografiji, gde omogućavaju povećanje izloženosti radiografskom filmu u kaseti zbog upotrebe ekrana za pojačavanje, tj. površinski sloj sačinjen od fluorescentnih supstanci;
- jonizaciona akcija - imaju sposobnost da izazovu raspad neutralnih atoma na pozitivno i negativno nabijene čestice, na tome se zasniva dozimetrija. Učinak ionizacije bilo kojeg medija je stvaranje pozitivnih i negativnih iona u njemu, kao i slobodnih elektrona iz neutralnih atoma i molekula tvari. Jonizacija zraka u rendgenskoj sobi tokom rada rendgenske cijevi dovodi do povećanja električne provodljivosti zraka, povećanja statičkih električnih naboja na objektima kabineta. Kako bi se eliminirao takav njihov nepoželjan utjecaj u rendgenskim prostorijama, predviđena je prisilna dovodna i izduvna ventilacija;
- biološko djelovanje - imaju uticaj na biološke objekte, u većini slučajeva je štetan;
- zakon inverznog kvadrata - za tačkasti izvor rendgenskog zračenja, intenzitet opada proporcionalno kvadratu udaljenosti do izvora.
Moderna medicina koristi mnoge liječnike za dijagnozu i terapiju. Neki od njih se koriste relativno nedavno, dok se drugi praktikuju više od desetina ili čak stotina godina. Također, prije sto deset godina, William Conrad Roentgen otkrio je nevjerovatne rendgenske zrake, koje su izazvale značajan odjek u naučnom i medicinskom svijetu. I sada ih doktori širom planete koriste u svojoj praksi. Tema našeg današnjeg razgovora bit će rendgenske zrake u medicini, o njihovoj primjeni ćemo govoriti malo detaljnije.
X-zrake su jedna od varijanti elektromagnetnog zračenja. Odlikuju se značajnim prodornim kvalitetima, koji zavise od talasne dužine zračenja, kao i od gustine i debljine ozračenih materijala. Osim toga, rendgenske zrake mogu uzrokovati sjaj niza tvari, utjecati na žive organizme, ionizirati atome, a također katalizirati neke fotokemijske reakcije.
Upotreba rendgenskih zraka u medicini
Do danas, svojstva rendgenskih zraka omogućavaju im široku primjenu u rendgenskoj dijagnostici i rendgenskoj terapiji.
Rentgenska dijagnostika
Rentgenska dijagnostika se koristi kada se radi:
Rendgen (transmisija);
- radiografija (slika);
- fluorografija;
- Rendgen i kompjuterizovana tomografija.
Fluoroskopija
Za provođenje takve studije, pacijent se mora postaviti između rendgenske cijevi i posebnog fluorescentnog ekrana. Specijalista radiolog odabire potrebnu tvrdoću rendgenskih zraka, primajući na ekranu sliku unutrašnjih organa, kao i rebara.
Radiografija
Za ovu studiju pacijent se stavlja na kasetu koja sadrži poseban film. Rendgen aparat se postavlja direktno iznad objekta. Kao rezultat, na filmu se pojavljuje negativna slika unutrašnjih organa koja sadrži niz finih detalja, detaljnijih nego prilikom fluoroskopskog pregleda.
Fluorografija
Ova studija se provodi tokom masovnih medicinskih pregleda stanovništva, uključujući i za otkrivanje tuberkuloze. Istovremeno, slika sa velikog platna se projektuje na poseban film.
Tomografija
Prilikom izvođenja tomografije, kompjuterske zrake pomažu da se dobiju slike organa na nekoliko mjesta odjednom: u posebno odabranim poprečnim dijelovima tkiva. Ova serija rendgenskih zraka naziva se tomogram.
Kompjuterski tomogram
Takva studija vam omogućava da registrirate dijelove ljudskog tijela pomoću rendgenskog skenera. Nakon unosa podataka u kompjuter dobija se jedna slika u poprečnom preseku.
Svaka od navedenih dijagnostičkih metoda zasniva se na svojstvima rendgenskog snopa da osvjetljava film, kao i na činjenici da se ljudska tkiva i koštani skelet razlikuju po različitoj propusnosti za svoje djelovanje.
Rentgenska terapija
Sposobnost rendgenskih zraka da utiču na poseban način na tkivu se koristi za liječenje tumorskih formacija. Istovremeno, jonizujuće kvalitete ovog zračenja posebno su aktivno uočljive kada su izložene ćelijama koje su sposobne za brzu diobu. Upravo te kvalitete razlikuju stanice malignih onkoloških formacija.
Međutim, vrijedi napomenuti da rendgenska terapija može uzrokovati mnogo ozbiljnih posljedica nuspojave. Takav uticaj agresivno utiče na stanje hematopoetskog, endokrinog i imunog sistema čije se ćelije takođe vrlo brzo dele. Agresivni utjecaj na njih može uzrokovati znakove radijacijske bolesti.
Utjecaj rendgenskog zračenja na ljude
Tokom proučavanja rendgenskih zraka, ljekari su otkrili da oni mogu dovesti do promjena na koži koje podsjećaju na opekotine od sunca, ali su praćene dubljim oštećenjem kože. Takvi čirevi zarastaju veoma dugo. Naučnici su otkrili da se takve lezije mogu izbjeći smanjenjem vremena i doze zračenja, kao i korištenjem posebnih metoda zaštite i daljinskog upravljanja.
Agresivni utjecaj rendgenskih zraka može se manifestirati i dugoročno: privremene ili trajne promjene u sastavu krvi, sklonost leukemiji i rano starenje.
Učinak rendgenskih zraka na osobu ovisi o mnogim faktorima: o tome koji organ je zračen i koliko dugo. Zračenje hematopoetskih organa može dovesti do oboljenja krvi, a izlaganje genitalnih organa može dovesti do neplodnosti.
Sprovođenje sistematskog zračenja prepuno je razvoja genetskih promjena u tijelu.
Prava šteta rendgenskih zraka u rendgenskoj dijagnostici
Prilikom pregleda ljekari koriste minimalnu moguću količinu rendgenskih zraka. Sve doze zračenja zadovoljavaju određene prihvatljive standarde i ne mogu naštetiti osobi. Rendgenska dijagnostika predstavlja značajnu opasnost samo za ljekare koji je provode. A onda moderne metode zaštite pomažu da se agresija zraka svede na minimum.
Najsigurnije metode radiodijagnoze uključuju radiografiju ekstremiteta, kao i rendgenske snimke zuba. Na sljedećem mjestu ove ocjene je mamografija, zatim kompjuterska tomografija, a nakon nje je radiografija.
Da bi upotreba rendgenskih zraka u medicini donijela samo korist osobi, potrebno je provesti istraživanje uz njihovu pomoć samo prema indikacijama.
X-zrake su vrsta visokoenergetskog elektromagnetnog zračenja. Aktivno se koristi u raznim granama medicine.
X-zraci su elektromagnetski talasi čija je energija fotona na skali elektromagnetnih talasa između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja (od ~10 eV do ~1 MeV), što odgovara talasnim dužinama od ~10^3 do ~10^−2 angstroma ( od ~10^−7 do ~10^−12 m). Odnosno, radi se o neuporedivo težem zračenju od vidljive svjetlosti, koja je na ovoj skali između ultraljubičastih i infracrvenih („toplinskih“) zraka.
Granica između rendgenskih zraka i gama zračenja se razlikuje uvjetno: njihovi rasponi se sijeku, gama zraci mogu imati energiju od 1 keV. Razlikuju se po poreklu: gama zraci se emituju tokom procesa koji se odvijaju u atomskim jezgrama, dok se X zraci emituju tokom procesa koji uključuju elektrone (i slobodni i oni u elektronskim omotačima atoma). Istovremeno, iz samog fotona je nemoguće utvrditi tokom kojeg procesa je nastao, odnosno podjela na rendgenski i gama opseg je uglavnom proizvoljna.
Opseg rendgenskih zraka podijeljen je na “meke rendgenske zrake” i “tvrde”. Granica između njih leži na nivou talasne dužine od 2 angstroma i 6 keV energije.
Generator rendgenskih zraka je cijev u kojoj se stvara vakuum. Postoje elektrode - katoda, na koju se primjenjuje negativan naboj, i pozitivno nabijena anoda. Napon između njih je desetine do stotine kilovolti. Generiranje rendgenskih fotona događa se kada se elektroni "odlome" od katode i velikom brzinom udare u površinu anode. Rezultirajuće rendgensko zračenje se naziva "kočno zračenje", njegovi fotoni imaju različite talasne dužine.
Istovremeno se generišu fotoni karakterističnog spektra. Dio elektrona u atomima anodne tvari je pobuđen, odnosno odlazi na više orbite, a zatim se vraća u svoje normalno stanje, emitirajući fotone određene valne dužine. Obje vrste rendgenskih zraka proizvode se u standardnom generatoru.
Njemački naučnik Wilhelm Konrad Roentgen je 8. novembra 1895. otkrio da neke supstance pod utjecajem "katodnih zraka", odnosno protoka elektrona koje stvara katodna cijev, počinju svijetliti. On je ovu pojavu objasnio uticajem određenih rendgenskih zraka - tako („rendgenski zraci“) ovo zračenje se sada naziva na mnogim jezicima. Kasnije V.K. Rentgen je proučavao fenomen koji je otkrio. 22. decembra 1895. održao je predavanje na ovu temu na Univerzitetu u Vircburgu.
Kasnije se ispostavilo da je rendgensko zračenje uočeno i ranije, ali tada se fenomenima povezanim s njim nije pridavao veliki značaj. Katodna cijev je izumljena davno, ali prije V.K. Rendgen, niko nije obraćao puno pažnje na zacrnjenje fotografskih ploča u blizini, itd. fenomeni. Nepoznata je i opasnost od prodornog zračenja.
“Rentgen” je najblaži tip prodornog zračenja. Prekomjerno izlaganje mekim rendgenskim zracima slično je izlaganju ultraljubičastom zračenju, ali u težem obliku. Na koži se stvara opekotina, ali lezija je dublja i mnogo sporije zacjeljuje.
Tvrdi rendgen je potpuno ionizirajuće zračenje koje može dovesti do radijacijske bolesti. Kvanti rendgenskih zraka mogu razbiti proteinske molekule koji čine tkiva ljudskog tijela, kao i DNK molekule genoma. Ali čak i ako rendgenski kvant razbije molekulu vode, nije važno: u ovom slučaju nastaju kemijski aktivni slobodni radikali H i OH, koji sami mogu djelovati na proteine i DNK. Radijacijska bolest teče u težem obliku, što su više zahvaćeni hematopoetski organi.
X-zrake imaju mutageno i kancerogeno djelovanje. To znači da se povećava vjerovatnoća spontanih mutacija u ćelijama tokom zračenja, a ponekad i zdrave ćelije mogu degenerisati u kancerogene. Povećanje vjerovatnoće malignih tumora je standardna posljedica svakog izlaganja, uključujući i rendgenske zrake. X-zrake su najmanje opasna vrsta prodornog zračenja, ali ipak mogu biti opasne.
Rentgensko zračenje se koristi u medicini, kao iu drugim područjima ljudske djelatnosti.
Najčešća primjena rendgenskih zraka je fluoroskopija. "Transiluminacija" ljudskog tijela omogućava vam da dobijete detaljnu sliku i kostiju (najjasnije su vidljive) i slike unutrašnjih organa.
Različita transparentnost tjelesnih tkiva na rendgenskim zracima povezana je s njihovim hemijskim sastavom. Karakteristike strukture kostiju su da sadrže puno kalcija i fosfora. Ostala tkiva se uglavnom sastoje od ugljika, vodonika, kisika i dušika. Atom fosfora premašuje težinu atoma kisika gotovo dva puta, a atom kalcija - 2,5 puta (ugljik, dušik i vodik su čak lakši od kisika). U tom smislu, apsorpcija rendgenskih fotona u kostima je mnogo veća.
Pored dvodimenzionalnih "slika", radiografija omogućava stvaranje trodimenzionalne slike organa: ova vrsta radiografije naziva se kompjuterizovana tomografija. U te svrhe koriste se meki rendgenski zraci. Količina ekspozicije primljene na jednoj slici je mala: približno je jednaka ekspoziciji primljenoj tokom 2-satnog leta u avionu na visini od 10 km.
Rendgenska detekcija grešaka vam omogućava da otkrijete male unutrašnje nedostatke u proizvodima. Za to se koriste tvrdi rendgenski zraci, jer su mnogi materijali (na primjer metal) slabo "prozirni" zbog velike atomske mase njihove sastavne tvari.
X-zrake imaju svojstva koja im omogućavaju da detaljno ispitaju pojedinačne atome. Analiza difrakcije rendgenskih zraka aktivno se koristi u hemiji (uključujući biohemiju) i kristalografiji. Princip njegovog rada je difrakcijsko raspršivanje rendgenskih zraka na atomima kristala ili složenih molekula. Analizom difrakcije rendgenskih zraka određena je struktura molekule DNK.
Rentgenska fluorescentna analiza vam omogućava da brzo odredite hemijski sastav supstance.
Postoji mnogo oblika radioterapije, ali svi uključuju upotrebu jonizujućeg zračenja. Radioterapija se dijeli na 2 tipa: korpuskularnu i talasnu. Korpuskularno koristi tokove alfa čestica (jezgra atoma helijuma), beta čestica (elektrona), neutrona, protona, teških jona. Wave koristi zrake elektromagnetnog spektra - x-zrake i gama.
Radioterapijske metode se prvenstveno koriste za liječenje onkoloških bolesti. Činjenica je da zračenje prvenstveno utječe na stanice koje se aktivno dijele, zbog čega na taj način stradaju hematopoetski organi (njihove stanice se neprestano dijele, stvarajući sve više novih crvenih krvnih zrnaca). Ćelije raka se također konstantno dijele i osjetljivije su na zračenje od zdravog tkiva.
Koristi se nivo zračenja koji potiskuje aktivnost ćelija raka, dok umereno utiče na zdrave. Pod uticajem zračenja ne dolazi do uništavanja ćelija kao takvih, već do oštećenja njihovog genoma – molekula DNK. Ćelija sa uništenim genomom može postojati neko vrijeme, ali se više ne može dijeliti, odnosno rast tumora prestaje.
Radioterapija je najblaži oblik radioterapije. Talasno zračenje je mekše od korpuskularnog zračenja, a rendgenski zraci su mekši od gama zračenja.
Opasno je koristiti jonizujuće zračenje tokom trudnoće. X-zrake su mutagene i mogu uzrokovati abnormalnosti u fetusu. Rentgenska terapija je nespojiva s trudnoćom: može se koristiti samo ako je već odlučeno da se pobaci. Ograničenja za fluoroskopiju su blaža, ali je u prvim mjesecima i ona strogo zabranjena.
U hitnim slučajevima, rendgenski pregled se zamjenjuje magnetnom rezonancom. Ali u prvom tromjesečju pokušavaju i to izbjeći (ova metoda se pojavila nedavno i sa apsolutnom sigurnošću govori o odsustvu štetnih posljedica).
Nedvosmislena opasnost nastaje kada se izloži ukupnoj dozi od najmanje 1 mSv (u starim jedinicama - 100 mR). Uz jednostavan rendgenski snimak (na primjer, kada je podvrgnut fluorografiji), pacijent prima oko 50 puta manje. Da biste primili takvu dozu odjednom, potrebno je da se podvrgnete detaljnoj kompjuterizovanoj tomografiji.
Odnosno, sama činjenica 1-2 puta "rendgenskog snimka" u ranoj fazi trudnoće ne prijeti ozbiljnim posljedicama (ali bolje je ne riskirati).
Rendgen se prvenstveno koristi u borbi protiv malignih tumora. Ova metoda je dobra jer je vrlo efikasna: ubija tumor. To je loše jer zdrava tkiva nisu mnogo bolja, postoje brojne nuspojave. Organi hematopoeze su posebno ugroženi.
U praksi se koriste različite metode za smanjenje uticaja rendgenskih zraka na zdrava tkiva. Zrake su usmjerene pod kutom na način da se u zoni njihovog sjecišta pojavljuje tumor (zbog toga se glavna apsorpcija energije događa upravo tamo). Ponekad se postupak izvodi u pokretu: tijelo pacijenta rotira u odnosu na izvor zračenja oko ose koja prolazi kroz tumor. Istovremeno, zdrava tkiva su u zoni zračenja samo ponekad, a bolesna - stalno.
Rendgen se koristi u liječenju određenih artroza i sličnih bolesti, kao i kožnih oboljenja. U ovom slučaju, sindrom boli se smanjuje za 50-90%. Budući da je zračenje koje se koristi u ovom slučaju mekše, nuspojave slične onima koje se javljaju u liječenju tumora se ne primjećuju.
Rendgensko zračenje (sinonim za X-zrake) je širokog raspona talasnih dužina (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). Rendgensko zračenje nastaje kada se nabijene čestice, najčešće elektroni, usporavaju u električnom polju atoma tvari. Rezultirajući kvanti imaju različite energije i formiraju kontinuirani spektar. Maksimalna energija fotona u takvom spektru jednaka je energiji upadnih elektrona. U (vidi) maksimalna energija rendgenskih kvanta, izražena u kiloelektron-voltima, numerički je jednaka veličini napona primijenjenog na cijev, izražena u kilovoltima. Kada prolaze kroz supstancu, X-zrake stupaju u interakciju s elektronima njenih atoma. Za kvante X-zraka sa energijama do 100 keV, najkarakterističniji tip interakcije je fotoelektrični efekat. Kao rezultat takve interakcije, kvantna energija se u potpunosti troši na izvlačenje elektrona iz atomskog omotača i prenošenje kinetičke energije na njega. Sa povećanjem energije rendgenskog kvanta, vjerovatnoća fotoelektričnog efekta se smanjuje i proces raspršivanja kvanta na slobodnim elektronima postaje dominantan - takozvani Comptonov efekat. Kao rezultat takve interakcije nastaje i sekundarni elektron, a osim toga, kvant izleti s energijom manjom od energije primarnog kvanta. Ako energija rendgenskog kvanta prelazi jedan megaelektron-volt, može doći do takozvanog efekta uparivanja, u kojem se formiraju elektron i pozitron (vidi). Posljedično, pri prolasku kroz supstancu, energija rendgenskog zračenja se smanjuje, odnosno smanjuje se njegov intenzitet. Budući da je u ovom slučaju veća vjerovatnoća da će se kvanti niske energije apsorbirati, rendgensko zračenje je obogaćeno kvantima veće energije. Ovo svojstvo rendgenskog zračenja koristi se za povećanje prosječne energije kvanta, odnosno za povećanje njegove krutosti. Povećanje tvrdoće rendgenskog zračenja postiže se pomoću posebnih filtera (vidi). Rentgensko zračenje se koristi za rendgensku dijagnostiku (vidi) i (vidi). Vidi i jonizujuće zračenje.
Rentgensko zračenje (sinonim: x-zrake, x-zrake) - kvantno elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 250 do 0,025 A (ili kvanti energije od 5 10 -2 do 5 10 2 keV). Godine 1895. otkrio ga je V.K. Roentgen. Spektralno područje elektromagnetnog zračenja u blizini rendgenskih zraka, čiji kvanti energije prelaze 500 keV, naziva se gama zračenje (vidi); zračenje, čiji su kvanti energije ispod 0,05 keV, je ultraljubičasto zračenje (vidi).
Dakle, predstavljajući relativno mali dio ogromnog spektra elektromagnetnog zračenja, koji uključuje i radio valove i vidljivu svjetlost, rendgensko zračenje, kao i svako elektromagnetno zračenje, širi se brzinom svjetlosti (oko 300 hiljada km/s u vakuumu). ) i karakteriše ga talasna dužina λ (razdaljina preko koje se zračenje širi u jednom periodu oscilovanja). Rentgensko zračenje ima i niz drugih valnih svojstava (prelamanje, interferencija, difrakcija), ali ih je mnogo teže uočiti nego za zračenje duže talasne dužine: vidljiva svjetlost, radio valovi.
Spektri X zraka: a1 - kontinuirani spektar kočnog zračenja na 310 kV; a - kontinuirani spektar kočnog zračenja na 250 kV, a1 - spektar filtriran sa 1 mm Cu, a2 - spektar filtriran sa 2 mm Cu, b - K-serija volframove linije.
Za generiranje rendgenskih zraka koriste se rendgenske cijevi (vidi), u kojima se zračenje javlja kada brzi elektroni interaguju s atomima anodne tvari. Postoje dvije vrste rendgenskih zraka: kočni i karakteristični. Rendgensko zračenje kočnog zračenja, koje ima kontinuirani spektar, slično je običnoj bijeloj svjetlosti. Distribucija intenziteta u zavisnosti od talasne dužine (Sl.) je predstavljena krivom sa maksimumom; u smjeru dugih valova kriva lagano pada, au smjeru kratkih valova strmo i prekida se na određenoj valnoj dužini (λ0), koja se naziva kratkovalna granica kontinuiranog spektra. Vrijednost λ0 je obrnuto proporcionalna naponu na cijevi. Bremsstrahlung nastaje interakcijom brzih elektrona sa atomskim jezgrama. Intenzitet kočnog zračenja je direktno proporcionalan jačini anodne struje, kvadratu napona cijevi i atomskom broju (Z) materijala anode.
Ako energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi premašuje kritičnu vrijednost za anodnu tvar (ova energija je određena naponom cijevi Vcr, koji je kritičan za ovu tvar), tada se javlja karakteristično zračenje. Karakteristični spektar je linija, njene spektralne linije čine niz, označen slovima K, L, M, N.
K serija je najkraća talasna dužina, L serija je duža talasna dužina, M i N serije se primećuju samo u teškim elementima (Vcr volframa za K seriju je 69,3 kv, za L seriju - 12,1 kv). Karakteristično zračenje nastaje na sljedeći način. Brzi elektroni izbijaju atomske elektrone iz unutrašnjih omotača. Atom se pobuđuje, a zatim se vraća u osnovno stanje. U tom slučaju elektroni iz vanjskih, manje vezanih ljuski ispunjavaju prostore koji su ispražnjeni u unutrašnjim ljuskama, a emituju se fotoni karakterističnog zračenja s energijom koja je jednaka razlici između energija atoma u pobuđenom i osnovnom stanju. Ova razlika (a time i energija fotona) ima određenu vrijednost, karakterističnu za svaki element. Ovaj fenomen leži u osnovi rendgenske spektralne analize elemenata. Slika prikazuje linijski spektar volframa na pozadini kontinuiranog spektra kočnog zračenja.
Energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi gotovo u potpunosti se pretvara u toplinsku energiju (anoda se u ovom slučaju jako zagrijava), samo se neznatan dio (oko 1% na naponu blizu 100 kV) pretvara u energiju kočnog zraka. .
Upotreba rendgenskih zraka u medicini zasniva se na zakonima apsorpcije rendgenskih zraka materijom. Apsorpcija rendgenskih zraka potpuno je nezavisna od optičkih svojstava materijala apsorbera. Bezbojno i prozirno olovno staklo koje se koristi za zaštitu osoblja u rendgen sobama gotovo u potpunosti apsorbira rendgenske zrake. Nasuprot tome, list papira koji nije proziran za svjetlost ne slabi rendgenske zrake.
Intenzitet homogenog (tj. određene talasne dužine) snopa rendgenskog zračenja, pri prolasku kroz sloj apsorbera, opada prema eksponencijalnom zakonu (e-x), gde je e baza prirodnih logaritama (2,718), a eksponent x jednak je proizvodu maseni koeficijent slabljenja (μ / p) cm 2 /g po debljini apsorbera u g / cm 2 (ovdje je p gustina supstance u g / cm 3). X-zrake se prigušuju i rasejanjem i apsorpcijom. Prema tome, koeficijent prigušenja mase je zbir koeficijenata apsorpcije mase i koeficijenata raspršenja. Maseni koeficijent apsorpcije naglo raste sa povećanjem atomskog broja (Z) apsorbera (proporcionalno Z3 ili Z5) i sa povećanjem talasne dužine (proporcionalno λ3). Ova zavisnost od talasne dužine primećuje se unutar apsorpcionih opsega, na čijim granicama koeficijent skače.
Koeficijent raspršenja mase raste s povećanjem atomskog broja tvari. Za λ≥0,3Å koeficijent rasejanja ne zavisi od talasne dužine, za λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Smanjenje koeficijenata apsorpcije i raspršenja sa smanjenjem talasne dužine uzrokuje povećanje prodorne moći rendgenskih zraka. Koeficijent apsorpcije mase za kosti [apsorpcija je uglavnom zbog Ca 3 (PO 4) 2 ] je skoro 70 puta veći nego za meka tkiva, gdje je apsorpcija uglavnom zbog vode. Ovo objašnjava zašto se senka kostiju tako oštro ističe na rendgenskim snimcima na pozadini mekih tkiva.
Širenje nehomogenog snopa rendgenskih zraka kroz bilo koji medij, zajedno sa smanjenjem intenziteta, praćeno je promjenom spektralnog sastava, promjenom kvalitete zračenja: dugovalni dio spektra se apsorbira do u većoj meri od kratkotalasnog dela, zračenje postaje ujednačenije. Filtriranjem dugovalnog dijela spektra moguće je poboljšati odnos između dubokih i površinskih doza tokom rendgenske terapije žarišta lociranih duboko u ljudskom tijelu (vidi rendgenski filteri). Da bi se okarakterizirao kvalitet nehomogenog snopa rendgenskih zraka, koristi se koncept "polu slabijeg sloja (L)" - sloja tvari koji slabi zračenje za pola. Debljina ovog sloja zavisi od napona na cevi, debljine i materijala filtera. Celofan (do energije od 12 keV), aluminijum (20–100 keV), bakar (60–300 keV), olovo i bakar (>300 keV) koriste se za merenje polovina slabljenja slojeva. Za X-zrake generisane na naponima od 80-120 kV, 1 mm bakra je ekvivalentan kapacitetu filtriranja 26 mm aluminijuma, 1 mm olova je ekvivalentan 50,9 mm aluminijuma.
Apsorpcija i raspršivanje rendgenskih zraka je zbog njegovih korpuskularnih svojstava; X-zrake stupaju u interakciju s atomima kao tok korpukula (čestica) - fotona, od kojih svaki ima određenu energiju (obrnuto proporcionalnu valnoj dužini X-zraka). Opseg energije rendgenskih fotona je 0,05-500 keV.
Apsorpcija rendgenskog zračenja je posljedica fotoelektričnog efekta: apsorpcija fotona od strane elektronske ljuske praćena je izbacivanjem elektrona. Atom je uzbuđen i, vraćajući se u osnovno stanje, emituje karakteristično zračenje. Emitirani fotoelektron nosi svu energiju fotona (minus energija vezanja elektrona u atomu).
Rasipanje rendgenskog zračenja nastaje zbog elektrona medija za raspršivanje. Postoji klasično rasejanje (talasna dužina zračenja se ne menja, ali se menja smer širenja) i rasejanje sa promenom talasne dužine - Comptonov efekat (talasna dužina raspršenog zračenja je veća od upadne). U potonjem slučaju foton se ponaša kao lopta koja se kreće, a raspršivanje fotona se događa, prema figurativnom izrazu Comntona, poput igre bilijara s fotonima i elektronima: sudarajući se s elektronom, foton prenosi dio svoje energije. na njega i raspršuje se, imajući već manju energiju (odnosno, talasna dužina raspršenog zračenja se povećava), elektron izleti iz atoma sa energijom trzaja (ovi elektroni se nazivaju Comptonovi elektroni, ili elektroni trzanja). Apsorpcija energije rendgenskih zraka nastaje prilikom formiranja sekundarnih elektrona (Compton i fotoelektrona) i prijenosa energije na njih. Energija rendgenskih zraka prenesena na jedinicu mase tvari određuje apsorbiranu dozu rendgenskih zraka. Jedinica ove doze 1 rad odgovara 100 erg/g. Zbog apsorbirane energije u tvari apsorbera dolazi do niza sekundarnih procesa koji su važni za rendgensku dozimetriju, jer se upravo na njima zasnivaju metode mjerenja rendgenskih zraka. (vidi dozimetriju).
Svi plinovi i mnoge tekućine, poluvodiči i dielektrici pod djelovanjem rendgenskih zraka povećavaju električnu provodljivost. Provodljivost se postiže najboljim izolacijskim materijalima: parafin, liskun, guma, ćilibar. Promjena provodljivosti je posljedica jonizacije medija, odnosno razdvajanja neutralnih molekula na pozitivne i negativne ione (jonizaciju proizvode sekundarni elektroni). Ionizacija u zraku se koristi za određivanje doze izloženosti rendgenskom zračenju (doze u zraku), koja se mjeri u rendgenima (vidi Doze jonizujućeg zračenja). Pri dozi od 1 r, apsorbirana doza u zraku je 0,88 rad.
Pod dejstvom rendgenskih zraka, kao rezultat ekscitacije molekula supstance (i tokom rekombinacije jona), u mnogim slučajevima se pobuđuje vidljivi sjaj supstance. Pri visokim intenzitetima rendgenskog zračenja uočava se vidljivi sjaj zraka, papira, parafina itd. (izuzetak su metali). Najveći prinos vidljive svjetlosti daju takvi kristalni fosfori kao što su Zn·CdS·Ag-fosfor i drugi koji se koriste za ekrane u fluoroskopiji.
Pod djelovanjem rendgenskih zraka u tvari se također mogu odvijati različiti kemijski procesi: razgradnja srebrnih halogenida (fotografski efekat koji se koristi u rendgenskim zracima), razgradnja vode i vodenih otopina vodikovog peroksida, promjena u svojstva celuloida (zamućenje i oslobađanje kamfora), parafina (zamućenje i izbjeljivanje) .
Kao rezultat potpune konverzije, sva energija rendgenskih zraka koju apsorbira kemijski inertna supstanca pretvara se u toplinu. Mjerenje vrlo malih količina topline zahtijeva visoko osjetljive metode, ali je glavna metoda za apsolutna mjerenja rendgenskih zraka.
Sekundarni biološki efekti izlaganja rendgenskim zracima su osnova medicinske radioterapije (vidi). X-zrake, čiji su kvanti 6-16 keV (efikasne talasne dužine od 2 do 5 Å), gotovo u potpunosti apsorbuju kožni integument tkiva ljudskog tela; nazivaju se graničnim zracima, ili ponekad Bucca zracima (vidi Bucca zraci). Za dubinsku rendgensku terapiju koristi se tvrdo filtrirano zračenje sa efektivnim energetskim kvantima od 100 do 300 keV.
Biološki učinak rendgenskog zračenja treba uzeti u obzir ne samo u rendgenskoj terapiji, već i u rendgenskoj dijagnostici, kao i u svim drugim slučajevima kontakta sa rendgenskim zracima koji zahtijevaju korištenje zaštite od zračenja ( vidi).
FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE RUSKOG FEDERACIJE
DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA
VISOKO STRUČNO OBRAZOVANJE
MOSKVSKI DRŽAVNI INSTITUT ZA ČELIK I LEGURE
(TEHNOLOŠKI UNIVERZITET)
NOVOTROITSKY BRANCH
Odjel za OEND
NASTAVNI RAD
Disciplina: fizika
Tema: RTG
Student: Nedorezova N.A.
Grupa: EiU-2004-25, br. Z.K.: 04N036
Provjerio: Ozhegova S.M.
Uvod
Poglavlje 1
1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada
1.2 Otkriće rendgenskih zraka
Poglavlje 2
2.1 Izvori rendgenskih zraka
2.2 Svojstva rendgenskih zraka
2.3 Registracija rendgenskih zraka
2.4 Upotreba rendgenskih zraka
Poglavlje 3
3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture
3.2 Analiza spektra
Zaključak
Spisak korištenih izvora
Prijave
Rijetka osoba nije prošla kroz rendgensku salu. Slike snimljene rendgenskim snimcima svima su poznate. Godine 1995. ovo otkriće je bilo staro 100 godina. Teško je zamisliti kakvo je veliko interesovanje izazvalo prije jednog stoljeća. Ispostavilo se da je u rukama čovjeka aparat pomoću kojeg je bilo moguće vidjeti nevidljivo.
Ovo nevidljivo zračenje, sposobno da prodre, doduše u različitom stepenu, u sve supstance, a to je elektromagnetno zračenje talasne dužine od oko 10-8 cm, nazvano je rendgenskim zračenjem, u čast Wilhelma Rentgena, koji ga je otkrio.
Poput vidljive svjetlosti, rendgenski zraci uzrokuju zacrnjenje fotografskog filma. Ova nekretnina je od velikog značaja za medicinu, industriju i naučna istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na film, rendgensko zračenje oslikava njegovu unutrašnju strukturu na njemu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni daju svjetlije površine na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čine kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti biti označene kao svjetlije površine, a mjesto prijeloma, koje je manje prozirno za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rendgensko snimanje se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao i u industriji za otkrivanje pukotina u odljevcima, plastici i gumama, u hemiji za analizu spojeva i u fizici za proučavanje strukture kristala .
Rentgenovo otkriće pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i mogućnosti za korištenje ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskih zraka dok prolaze kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Braggi, koji su 1915. dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova analize rendgenske difrakcije.
Svrha ovog kursa je proučavanje fenomena rendgenskog zračenja, istorijat otkrića, svojstva i utvrđivanje obima njegove primjene.
Wilhelm Conrad Roentgen rođen je 17. marta 1845. godine u pograničnom području Njemačke sa Holandijom, u gradu Lenepe. Tehničko obrazovanje stekao je u Cirihu na istoj Višoj tehničkoj školi (Polytechnic) gdje je kasnije studirao Ajnštajn. Strast prema fizici primorala ga je nakon što je završio školu 1866. da nastavi fizičko obrazovanje.
Godine 1868. odbranio je disertaciju za zvanje doktora filozofije, radio je kao asistent na Odsjeku za fiziku, prvo u Cirihu, zatim u Giesenu, a zatim u Strazburu (1874-1879) kod Kundta. Ovdje je Rentgen prošao dobru eksperimentalnu školu i postao prvoklasni eksperimentator. Roentgen je dio važnog istraživanja izveo sa svojim učenikom, jednim od osnivača sovjetske fizike, A.F. Ioffe.
Naučna istraživanja se odnose na elektromagnetizam, kristalnu fiziku, optiku, molekularnu fiziku.
1895. otkrio je zračenje s talasnom dužinom kraćom od talasne dužine ultraljubičastih zraka (X-zraka), kasnije nazvanih rendgenskim zracima, i istražio njihova svojstva: sposobnost reflektiranja, apsorpcije, jonizacije zraka itd. Predložio je ispravan dizajn cijevi za dobivanje rendgenskih zraka - nagnutu platinastu antikatodu i konkavnu katodu: on je prvi napravio fotografije pomoću rendgenskih zraka. On je 1885. godine otkrio magnetsko polje dielektrika koji se kreće u električnom polju (tzv. "rendgenska struja"). Njegovo iskustvo je jasno pokazalo da magnetsko polje stvaraju pokretni naboji i bilo je važno za stvaranje X. Lorentzovog elektronska teorija. Značajan broj Rentgenovih radova posvećen je proučavanju svojstava tečnosti, gasova, kristala, elektromagnetnih pojava, otkrio vezu između električnih i optičkih pojava u kristalima. Za otkriće zraka koje nose njegovo ime, Rentgen je 1901. bio je prvi među fizičarima koji je dobio Nobelovu nagradu.
Od 1900. do poslednjih dana života (umro 10. februara 1923.) radio je na Univerzitetu u Minhenu.
Kraj 19. vijeka je obilježeno pojačanim interesovanjem za fenomene prolaska električne energije kroz gasove. Čak je i Faraday ozbiljno proučavao ove pojave, opisao različite oblike pražnjenja, otkrio tamni prostor u svjetlećem stupcu razrijeđenog plina. Faradejev tamni prostor razdvaja plavičasti, katodni sjaj od ružičastog, anodnog sjaja.
Dalje povećanje razrjeđivanja plina značajno mijenja prirodu sjaja. Matematičar Plücker (1801-1868) otkrio je 1859. godine, pri dovoljno jakom razrjeđivanju, slabo plavičasti snop zraka koji je izlazio iz katode, koji je dospio do anode i uzrokovao sjaj stakla cijevi. Plückerov učenik Gittorf (1824-1914) 1869. nastavio je istraživanje svog učitelja i pokazao da se na fluorescentnoj površini cijevi pojavljuje izrazita sjena ako se između katode i ove površine postavi čvrsto tijelo.
Goldstein (1850-1931), proučavajući svojstva zraka, nazvao ih je katodnim zracima (1876). Tri godine kasnije, William Crookes (1832-1919) dokazao je materijalnu prirodu katodnih zraka i nazvao ih "zračećom materijom" - supstancom u posebnom četvrtom stanju. Njegov dokaz je bio uvjerljiv i jasan. Eksperimenti sa "Crookesovom cijevi" su demonstrirani. kasnije u svim fizičkim učionicama . Skretanje katodnog snopa magnetnim poljem u Crookesovoj cijevi postalo je klasična školska demonstracija.
Međutim, eksperimenti o električnom otklonu katodnih zraka nisu bili tako uvjerljivi. Hertz nije otkrio takvo odstupanje i došao je do zaključka da je katodna zraka oscilatorni proces u eteru. Hercov učenik F. Lenard, eksperimentišući sa katodnim zrakama, pokazao je 1893. da one prolaze kroz prozor prekriven aluminijumskom folijom i izazivaju sjaj u prostoru iza prozora. Hertz je svoj posljednji članak, objavljen 1892. godine, posvetio fenomenu prolaska katodnih zraka kroz tanka metalna tijela, a počeo je riječima:
“Katodne zrake se razlikuju od svjetlosti na značajan način u smislu njihove sposobnosti da prodiru u čvrste tvari.” Opisujući rezultate eksperimenata na prolasku katodnih zraka kroz listove zlata, srebra, platine, aluminija itd., Hertz napominje da nije uočiti posebne razlike u fenomenima Zraci ne prolaze kroz listove pravolinijski, već se raspršuju difrakcijom. Priroda katodnih zraka još je bila nejasna.
S takvim cijevima Crookesa, Lenarda i drugih eksperimentirao je krajem 1895. würzburški profesor Wilhelm Konrad Roentgen. Jednom, nakon završetka eksperimenta, zatvorio je cijev crnim kartonskim poklopcem, ugasio svjetlo, ali nije isključio induktor koji je napajao cev, primetio je sjaj ekrana od barijum cijanogena koji se nalazi u blizini cevi. Pogođen ovom okolnošću, Rentgen je počeo da eksperimentiše sa ekranom. U svom prvom izvještaju "O novoj vrsti zraka" od 28. decembra 1895. o ovim prvim eksperimentima pisao je: "Komče papira obloženog barijum-platin-cijanidom, kada se približio cijevi, zatvoren je tankim crnim kartonskim poklopcem koji dovoljno dobro pristaje uz njega, sa svakim pražnjenjem bljesne jarkim svjetlom: počinje fluorescirati. Fluorescencija je vidljiva uz dovoljno zatamnjenja i ne zavisi od toga da li papir donosimo sa bočne strane obložene barijum sinerogenom ili nije premazana barijum sinerogenom. Fluorescencija je uočljiva čak i na udaljenosti od dva metra od cijevi.”
Pažljivo ispitivanje je pokazalo Rentgenu "da je crni karton, koji nije proziran ni za vidljive i ultraljubičaste zrake sunca, ni za zrake električnog luka, prožet nekom vrstom fluorescentnog sredstva." Rentgen je istraživao prodornu moć ovog "agensa" , koje je za kratkoću nazvao "rendgenskim zracima", za razne supstance.Utvrdio je da zraci slobodno prolaze kroz papir, drvo, ebonit, tanke slojeve metala, ali ih snažno odlaže olovo.
Zatim opisuje senzacionalno iskustvo:
“Ako držite ruku između cijevi za pražnjenje i ekrana, možete vidjeti tamne sjene kostiju u slabim obrisima sjene same ruke.” Ovo je bio prvi rendgenski pregled ljudskog tijela.
Ovi snimci su ostavili ogroman utisak; otkriće još nije bilo završeno, a rendgenska dijagnostika je već započela svoj put. "Moja laboratorija je bila preplavljena doktorima koji su dovodili pacijente koji su sumnjali da imaju igle u različitim dijelovima tijela", napisao je engleski fizičar Šuster.
Već nakon prvih eksperimenata, Roentgen je čvrsto utvrdio da se rendgenski zraci razlikuju od katodnih, ne nose naboj i ne odbijaju ih magnetsko polje, ali ih pobuđuju katodni zraci. "Rentgensko zračenje nije identično katodnom zrake, ali ih pobuđuju u staklenim stijenkama cijevi za pražnjenje”, napisao je Roentgen.
Takođe je ustanovio da su uzbuđeni ne samo u staklu, već i u metalima.
Spominjući Hertz-Lenardovu hipotezu da su katodne zrake “fenomen koji se javlja u eteru”, Roentgen ističe da “možemo reći nešto slično o našim zracima”. Međutim, nije uspio da otkrije valna svojstva zraka, one se "ponašaju drugačije od do sada poznatih ultraljubičastih, vidljivih, infracrvenih zraka." Po svom hemijskom i luminiscentnom djelovanju, oni su, prema Rentgenu, slični ultraljubičastim zracima. U prvom poruku, on je izneo pretpostavku ostavljenu kasnije da to mogu biti longitudinalni talasi u etru.
Rentgenovo otkriće izazvalo je veliko interesovanje u naučnom svetu. Njegovi eksperimenti su ponovljeni u gotovo svim laboratorijima u svijetu. U Moskvi ih je ponovio P.N. Lebedev. U Sankt Peterburgu, izumitelj radija A.S. Popov je eksperimentisao sa rendgenskim zracima, demonstrirao ih na javnim predavanjima, primajući razne rendgenske snimke. U Kembridžu D.D. Thomson je odmah primijenio jonizujući efekat rendgenskih zraka kako bi proučio prolaz električne energije kroz plinove. Njegovo istraživanje dovelo je do otkrića elektrona.
Rentgensko zračenje - elektromagnetno jonizujuće zračenje, koje zauzima područje spektra između gama i ultraljubičastog zračenja u talasnim dužinama od 10 -4 do 10 3 (od 10 -12 do 10 -5 cm).R. l. sa talasnom dužinom λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - mekano.
Najčešći izvor rendgenskih zraka je rendgenska cijev.
Rendgenske cijevi se koriste u rendgenskoj strukturnoj analizi
Glavne karakteristike rendgenskih cijevi su maksimalni dozvoljeni napon ubrzanja (1-500 kV), elektronska struja (0,01 mA - 1A), specifična snaga raspršena anodom (10-10 4 W / mm 2), ukupna potrošnja energije (0,002 W - 60 kW) i veličine fokusa (1 µm - 10 mm). Efikasnost rendgenske cijevi je 0,1-3%.
Neki radioaktivni izotopi mogu poslužiti i kao izvori rendgenskih zraka.
Sinhrotroni i prstenovi za skladištenje elektrona sa energijama od nekoliko GeV mogu poslužiti kao izvori mekih X-zraka sa λ reda desetina i stotina. Po intenzitetu, rendgensko zračenje sinhrotrona premašuje zračenje rendgenske cijevi u navedenom području spektra za 2-3 reda veličine.
Prirodni izvori rendgenskih zraka - Sunce i drugi svemirski objekti.
U zavisnosti od mehanizma nastanka rendgenskih zraka, njihovi spektri mogu biti kontinuirani (kočni) ili linijski (karakteristični). Kontinuirani rendgenski spektar emituju brzo nabijene čestice kao rezultat njihovog usporavanja pri interakciji sa ciljnim atomima; ovaj spektar dostiže značajan intenzitet samo kada se meta bombarduje elektronima. Intenzitet kočnog rendgenskog zračenja je raspoređen na svim frekvencijama do visokofrekventne granice 0 , na kojoj je energija fotona h 0 (h je Plankova konstanta
Linijsko zračenje nastaje nakon jonizacije atoma sa izbacivanjem elektrona iz jedne od njegovih unutrašnjih ljuski. Takva jonizacija može biti rezultat sudara atoma sa brzom česticom, kao što je elektron (primarni rendgenski zraci), ili apsorpcije fotona od strane atoma (fluorescentno rendgensko zračenje). Jonizovani atom se nalazi u početnom kvantnom stanju na jednom od visokih energetskih nivoa i nakon 10 -16 -10 -15 sekundi prelazi u konačno stanje sa nižom energijom. U ovom slučaju, atom može emitovati višak energije u obliku fotona određene frekvencije. Frekvencije linija spektra takvog zračenja karakteristične su za atome svakog elementa, pa se linijski rendgenski spektar naziva karakterističnim. Ovisnost linijske frekvencije ovog spektra od atomskog broja Z određena je Moseleyjevim zakonom.
Moseleyjev zakon, zakon koji povezuje frekvenciju spektralnih linija karakteristične rendgenske emisije hemijskog elementa sa njegovim serijskim brojem. G. Moseley eksperimentalno instaliran
gdje je R Rydbergova konstanta
Moseleyjev zakon je bio nepobitan dokaz ispravnog postavljanja elemenata u periodni sistem elemenata
U skladu sa Moseleyjevim zakonom, rendgenski karakteristični spektri ne pokazuju periodične obrasce svojstvene optičkim spektrima. Ovo ukazuje da unutrašnje elektronske ljuske atoma svih elemenata koji se pojavljuju u karakterističnim rendgenskim spektrima imaju sličnu strukturu.
Kasniji eksperimenti su otkrili neka odstupanja od linearne zavisnosti za prelazne grupe elemenata, povezana sa promenom redosleda punjenja spoljašnjih elektronskih omotača, kao i za teške atome, koja se javljaju kao rezultat relativističkih efekata (uslovno objašnjenih činjenica da su brzine unutrašnjih uporedive sa brzinom svjetlosti).
Ovisno o brojnim faktorima - o broju nukleona u jezgru (izotonični pomak), stanju vanjskih elektronskih ljuski (hemijski pomak), itd. - položaj spektralnih linija na Moseley dijagramu može se donekle promijeniti. Proučavanje ovih pomaka omogućava dobijanje detaljnih informacija o atomu.
Rendgensko zračenje kočnog zračenja koje emituju veoma tanke mete potpuno su polarizovane blizu 0; kako 0 opada, stepen polarizacije opada. Karakteristično zračenje, po pravilu, nije polarizovano.
Kada rendgenski zraci stupaju u interakciju sa materijom, može doći do fotoelektričnog efekta.
Kada X-zrake prođu kroz sloj tvari debljine x, njihov početni intenzitet I 0 opada na vrijednost I = I 0 e - μ x gdje je μ koeficijent slabljenja. Slabljenje I nastaje zbog dva procesa: apsorpcije rendgenskih fotona materijom i promjene njihovog smjera nakon raspršivanja. U dugovalnom području spektra dominira apsorpcija rendgenskih zraka, au kratkovalnom području njihovo raspršivanje. Stepen apsorpcije se brzo povećava sa povećanjem Z i λ. Na primjer, tvrdi rendgenski zraci slobodno prodiru kroz sloj zraka ~ 10 cm; aluminijumska ploča debljine 3 cm slabi rendgenske zrake sa λ = 0,027 upola; meki rendgenski zraci se značajno apsorbuju u vazduhu i njihovo korišćenje i proučavanje moguće je samo u vakuumu ili u gasu koji slabo apsorbuje (na primer He). Kada se X-zraci apsorbuju, atomi supstance se joniziraju.
Utjecaj rendgenskih zraka na žive organizme može biti koristan ili štetan, ovisno o jonizaciji koju uzrokuju u tkivima. Pošto apsorpcija rendgenskih zraka zavisi od λ, njihov intenzitet ne može poslužiti kao mjera biološkog efekta rendgenskih zraka. Mjerenja rendgenskih zraka koriste se za mjerenje uticaja rendgenskih zraka na materiju.
Rasipanje rendgenskih zraka u području velikih Z i λ događa se uglavnom bez promjene λ i naziva se koherentno rasejanje, dok se u području malih Z i λ po pravilu povećava (nekoherentno rasejanje). Postoje 2 vrste nekoherentnog raspršenja rendgenskih zraka - Compton i Raman. U Comptonovom rasejanju, koje ima karakter neelastičnog korpuskularnog rasejanja, elektron trzanja izleti iz atomske ljuske zbog energije koju delimično gubi foton X zraka. U tom slučaju energija fotona se smanjuje i njegov smjer se mijenja; promjena λ zavisi od ugla raspršenja. Prilikom Ramanskog raspršenja visokoenergetskog rendgenskog fotona svjetlosnim atomom, mali dio njegove energije troši se na jonizaciju atoma i smjer kretanja fotona se mijenja. Promjena takvih fotona ne zavisi od ugla raspršenja.
Indeks prelamanja n za x-zrake razlikuje se od 1 za vrlo mali iznos δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Fazna brzina rendgenskih zraka u mediju je veća od brzine svjetlosti u vakuumu. Devijacija rendgenskih zraka pri prelasku iz jednog medija u drugi je vrlo mala (nekoliko lučnih minuta). Kada rendgenske zrake padaju iz vakuuma na površinu tijela pod vrlo malim uglom, dolazi do njihove totalne vanjske refleksije.
Ljudsko oko nije osjetljivo na rendgenske zrake. rendgenski snimak
zraci se snimaju pomoću posebnog rendgenskog filma koji sadrži povećanu količinu Ag, Br. U regionu λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, osjetljivost običnog pozitivnog filma je prilično visoka, a njegova zrna su mnogo manja od zrna rendgenskog filma, što povećava rezoluciju. Na λ reda desetina i stotina, rendgenski zraci djeluju samo na najtanji površinski sloj fotografske emulzije; kako bi se povećala osjetljivost filma, senzibilizira se luminiscentnim uljima. U rendgenskoj dijagnostici i detekciji kvarova, elektrofotografija se ponekad koristi za snimanje rendgenskih zraka.
Rendgenski zraci visokog intenziteta mogu se snimiti pomoću jonizacijske komore
X-zrake se najčešće koriste u medicini za rendgensku dijagnostiku.
Analiza rendgenske strukture
Rentgenska mikroskopija
X-zrake koje dolaze iz svemira nose informacije o hemijskom sastavu kosmičkih tijela i o fizičkim procesima koji se odvijaju u svemiru. Rentgenska astronomija se bavi proučavanjem kosmičkih rendgenskih zraka
Jedan od glavnih zadataka analize rendgenske difrakcije je određivanje stvarnog ili faznog sastava materijala. Metoda rendgenske difrakcije je direktna i odlikuje se visokom pouzdanošću, brzinom i relativnom jeftinošću. Metoda ne zahtijeva veliki broj tvari, analiza se može izvesti bez uništavanja dijela. Područja primjene kvalitativne fazne analize su veoma raznolika kako za naučna istraživanja tako i za kontrolu u proizvodnji. Možete provjeriti sastav sirovina metalurške proizvodnje, proizvode sinteze, preradu, rezultat faznih promjena tokom termičke i hemijsko-termalne obrade, analizirati različite premaze, tanke filmove itd.
Svaku fazu, koja ima svoju kristalnu strukturu, karakterizira određeni skup diskretnih vrijednosti međuplanarnih udaljenosti d/n od maksimuma i ispod, svojstvenih samo ovoj fazi. Kao što slijedi iz Wulf-Braggove jednačine, svaka vrijednost međuplanarne udaljenosti odgovara liniji na rendgenskom uzorku iz polikristalnog uzorka pod određenim uglom θ (pri datoj vrijednosti talasne dužine λ). Dakle, određeni sistem linija (difrakcijski maksimumi) će odgovarati određenom skupu međuplanarnih udaljenosti za svaku fazu u dijagramu difrakcije rendgenskih zraka. Relativni intenzitet ovih linija u rendgenskom uzorku zavisi prvenstveno od strukture faze. Dakle, određivanjem lokacije linija na radiografiji (njegov ugao θ) i poznavanjem talasne dužine zračenja na kojoj je rendgenski snimak snimljen, moguće je odrediti vrednosti međuplanarne udaljenosti d/n pomoću Wulfove - Braggova formula:
/n = λ/ (2sin θ). (1)
Određivanjem skupa d/n za materijal koji se proučava i upoređivanjem sa prethodno poznatim d/n podacima za čiste supstance, njihova različita jedinjenja, moguće je utvrditi koju fazu dati materijal sadrži. Treba naglasiti da se određuju faze, a ne hemijski sastav, ali se potonji ponekad može zaključiti ako postoje dodatni podaci o elementarnom sastavu određene faze. Zadatak kvalitativne fazne analize uvelike je olakšan ako je poznat hemijski sastav materijala koji se proučava, jer je tada moguće napraviti preliminarne pretpostavke o mogućim fazama u ovom slučaju.
Ključ za faznu analizu je precizno mjerenje d/n i intenziteta linije. Iako je to u principu lakše postići korištenjem difraktometra, fotometoda za kvalitativnu analizu ima neke prednosti, prvenstveno u smislu osjetljivosti (mogućnost detekcije prisustva male količine faze u uzorku), kao i jednostavnosti analize. eksperimentalnu tehniku.
Izračunavanje d/n iz rendgenskog uzorka vrši se pomoću Wulf-Braggove jednačine.
Kao vrijednost λ u ovoj jednadžbi, obično se koristi λ α cf K-serija:
λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Ponekad se koristi linija K α1. Određivanje uglova difrakcije θ za sve rendgenske linije omogućava vam da izračunate d/n prema jednačini (1) i odvojite β-linije (ako nije bilo filtera za (β-zrake).
Svi pravi monokristalni, a još više polikristalni materijali sadrže određene strukturne nesavršenosti (tačkaste defekte, dislokacije, različite vrste interfejsa, mikro- i makronaprezanja), koje imaju veoma snažan uticaj na sva strukturno osetljiva svojstva i procese.
Strukturne nesavršenosti uzrokuju izobličenja kristalne rešetke različite prirode i, kao rezultat toga, različite vrste promjena u difrakcijskom uzorku: promjena međuatomskih i interplanarnih udaljenosti uzrokuje pomak difrakcijskih maksimuma, mikronaprezanja i disperznost podstrukture dovode do širenja difrakcijskih maksimuma, mikrodistorzije rešetke - do promjene intenziteta ovih maksimuma, prisutnost dislokacija uzrokuje anomalne pojave pri prolasku rendgenskih zraka i, posljedično, lokalne kontrastne nehomogenosti na rendgenskim topogramima itd.
Kao rezultat toga, analiza difrakcije rendgenskih zraka jedna je od najinformativnijih metoda za proučavanje strukturnih nesavršenosti, njihove vrste i koncentracije, te prirode njihove distribucije.
Tradicionalna direktna metoda difrakcije rendgenskih zraka, koja se primjenjuje na stacionarnim difraktometrima, zbog svojih konstrukcijskih karakteristika, omogućava kvantitativno određivanje napona i deformacija samo na malim uzorcima izrezanim iz dijelova ili predmeta.
Stoga, trenutno postoji prijelaz sa stacionarnih na prijenosne rendgenske difraktometre male veličine, koji daju procjenu naprezanja u materijalu dijelova ili predmeta bez razaranja u fazama njihove proizvodnje i rada.
Prijenosni rendgenski difraktometri serije DRP * 1 omogućavaju kontrolu zaostalih i efektivnih napona u velikim dijelovima, proizvodima i strukturama bez razaranja
Program u Windows okruženju omogućava ne samo određivanje napona metodom "sin 2 ψ" u realnom vremenu, već i praćenje promjene faznog sastava i teksture. Linearni koordinatni detektor omogućava istovremenu registraciju pri uglovima difrakcije 2θ = 43°. rendgenske cijevi male veličine tipa "Fox" velike svjetline i male snage (5 W) osiguravaju radiološka sigurnost uređaja, u kojima je na udaljenosti od 25 cm od ozračenog područja nivo zračenja jednak prirodni nivo pozadine. Uređaji serije DRP se koriste za određivanje napona u različitim fazama oblikovanja metala, rezanja, brušenja, termičke obrade, zavarivanja, površinskog kaljenja u cilju optimizacije ovih tehnoloških operacija. Kontrola pada nivoa indukovanih zaostalih tlačnih napona u posebno kritičnim proizvodima i konstrukcijama u toku njihovog rada omogućava stavljanje proizvoda van upotrebe pre njegovog uništenja, sprečavajući moguće nesreće i katastrofe.
Uz određivanje atomske kristalne strukture i faznog sastava materijala za njegovu kompletne karakteristike obavezno je odrediti njegov hemijski sastav.
U te svrhe u praksi se sve više koriste različite takozvane instrumentalne metode spektralne analize. Svaki od njih ima svoje prednosti i primjenu.
Jedan od važnih zahtjeva u mnogim slučajevima je da korištena metoda osigurava sigurnost analiziranog objekta; Upravo o ovim metodama analize govori se u ovom odeljku. Sljedeći kriterij prema kojem su odabrane metode analize opisane u ovom dijelu je njihov lokalitet.
Metoda fluorescentne rendgenske spektralne analize zasniva se na prodiranju prilično tvrdog rendgenskog zračenja (iz rendgenske cijevi) u analizirani objekt, prodirući u sloj debljine reda nekoliko mikrometara. Karakteristično rendgensko zračenje koje nastaje u ovom slučaju u objektu omogućava da se dobiju prosječni podaci o njegovom kemijskom sastavu.
Za određivanje elementarnog sastava tvari može se koristiti analiza karakterističnog rendgenskog spektra uzorka postavljenog na anodu rendgenske cijevi i podvrgnutog bombardiranju elektronima - emisiona metoda ili analiza spektra sekundarnog (fluorescentnog) rendgenskog zračenja uzorka koji je podvrgnut zračenju tvrdim rendgenskim zracima iz rendgenske cijevi ili drugog izvora - fluorescentna metoda.
Nedostatak emisione metode je, prvo, potreba da se uzorak postavi na anodu rendgenske cijevi, nakon čega slijedi evakuacija vakuum pumpama; očito, ova metoda nije pogodna za topljive i isparljive tvari. Drugi nedostatak je povezan s činjenicom da su čak i vatrostalni objekti oštećeni bombardiranjem elektrona. Fluorescentna metoda nema ovih nedostataka i stoga ima mnogo širu primjenu. Prednost fluorescentne metode je i odsustvo kočnog zračenja, što poboljšava osjetljivost analize. Poređenje izmerenih talasnih dužina sa tabelama spektralnih linija hemijskih elemenata je osnova kvalitativne analize, a relativni intenziteti spektralnih linija različitih elemenata koji čine supstancu uzorka čine osnovu kvantitativne analize. Iz razmatranja mehanizma pobuđivanja karakterističnog rendgenskog zračenja, jasno je da zračenja jedne ili druge serije (K ili L, M, itd.) nastaju istovremeno, a odnos intenziteta linija unutar serije je uvijek konstantan. Stoga se prisutnost ovog ili onog elementa utvrđuje ne pojedinačnim linijama, već nizom linija u cjelini (osim onih najslabijih, uzimajući u obzir sadržaj ovog elementa). Za relativno lake elemente koristi se analiza linija K-serije, a za teške elemente linije L-serije; pod različitim uslovima (u zavisnosti od opreme koja se koristi i od analiziranih elemenata), različita područja karakterističnog spektra mogu biti najpogodnija.
Glavne karakteristike rendgenske spektralne analize su sljedeće.
Jednostavnost rendgenskih karakterističnih spektra čak i za teške elemente (u poređenju sa optičkim spektrima), što pojednostavljuje analizu (mali broj linija; sličnost u njihovom međusobnom rasporedu; sa povećanjem serijskog broja, redovno pomeranje spektra na javlja se kratkotalasna oblast; komparativna jednostavnost kvantitativne analize).
Nezavisnost valnih dužina od stanja atoma analiziranog elementa (slobodnog ili u hemijskom spoju). To je zbog činjenice da je pojava karakterističnog rendgenskog zračenja povezana s pobudom unutrašnjih elektronskih nivoa, koji se u većini slučajeva praktički ne mijenjaju sa stupnjem jonizacije atoma.
Mogućnost razdvajanja u analizi rijetkih zemalja i nekih drugih elemenata koji imaju male razlike u spektrima u optičkom opsegu zbog sličnosti elektronska struktura vanjske ljuske i vrlo se malo razlikuju po svojim hemijskim svojstvima.
Fluorescentna spektroskopija X zraka je "nedestruktivna", pa ima prednost u odnosu na konvencionalnu optičku spektroskopiju kada se analiziraju tanki uzorci - tanki metalni lim, folija itd.
Rendgenski fluorescentni spektrometri, među njima i višekanalni spektrometri ili kvantometri, koji omogućavaju ekspresnu kvantitativnu analizu elemenata (od Na ili Mg do U) sa greškom manjom od 1% utvrđene vrijednosti, pragom osjetljivosti od 10 -3 ... 10 -4% .
rendgenski snop
Metode za određivanje spektralnog sastava rendgenskih zraka
Spektrometri se dijele na dva tipa: kristalno difrakcijski i bezkristalni.
Razlaganje rendgenskih zraka u spektar korištenjem prirodne difrakcijske rešetke - kristala - u suštini je slično dobivanju spektra običnih svjetlosnih zraka korištenjem umjetne difrakcijske rešetke u obliku periodičnih poteza na staklu. Uslov za formiranje difrakcionog maksimuma može se zapisati kao uslov "refleksije" od sistema paralelnih atomskih ravni razdvojenih rastojanjem d hkl .
Prilikom kvalitativne analize, prisustvo elementa u uzorku može se suditi po jednoj liniji - obično najintenzivnijoj liniji spektralnog niza pogodnoj za dati kristal analizatora. Rezolucija spektrometara kristalne difrakcije dovoljna je da odvoji karakteristične linije čak i elemenata koji su susedni na poziciji u periodnom sistemu. Međutim, moramo uzeti u obzir i nametanje različitih linija različitih elemenata, kao i nametanje refleksije drugačiji redosled. Ovu okolnost treba uzeti u obzir pri odabiru analitičkih linija. Istovremeno, potrebno je iskoristiti mogućnosti poboljšanja rezolucije instrumenta.
Dakle, rendgenski zraci su nevidljivo elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 10 5 - 10 2 nm. X-zrake mogu prodrijeti u neke materijale koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Emituju se prilikom usporavanja brzih elektrona u materiji (neprekidni spektar) i tokom prelaza elektrona sa spoljašnjih elektronskih omotača atoma na unutrašnje (linearni spektar). Izvori rendgenskog zračenja su: rendgenska cijev, neki radioaktivni izotopi, akceleratori i akumulatori elektrona (sinhrotronsko zračenje). Prijemnici - film, luminescentni ekrani, detektori nuklearnog zračenja. X-zrake se koriste u analizi difrakcije rendgenskih zraka, medicini, detekciji mana, rendgenskoj spektralnoj analizi itd.
Uzimajući u obzir pozitivne aspekte otkrića V. Roentgena, potrebno je ukazati na njegovo štetno biološko djelovanje. Pokazalo se da rendgenski zraci mogu izazvati nešto poput jakih opekotina od sunca (eritema), praćenih, međutim, dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji se pojavljuju često se pretvaraju u rak. U mnogim slučajevima, prsti ili šake su morali biti amputirani. Bilo je i smrtnih slučajeva.
Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena izlaganja i doze, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. Ali postepeno su otkriveni drugi, dugoročniji efekti izlaganja rendgenskim zracima, koji su potom potvrđeni i proučavani na eksperimentalnim životinjama. Efekti rendgenskih zraka i drugih jonizujućih zračenja (kao što su gama zraci koje emituju radioaktivni materijali) uključuju:
) privremene promjene u sastavu krvi nakon relativno male ekspozicije;
) nepovratne promjene u sastavu krvi (hemolitička anemija) nakon dužeg prekomjernog izlaganja;
) povećanje incidencije raka (uključujući leukemiju);
) brže starenje i ranu smrt;
) pojava katarakte.
Biološki uticaj rendgenskih zraka na ljudski organizam određen je nivoom doze zračenja, kao i time koji je organ tijela bio izložen zračenju.
Akumulacija znanja o uticaju rendgenskog zračenja na ljudski organizam dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dozvoljene doze zračenja, objavljenih u različitim referentnim knjigama.
Da bi se izbjeglo štetno djelovanje rendgenskih zraka, koriste se metode kontrole:
) dostupnost adekvatne opreme,
) praćenje poštivanja sigurnosnih propisa,
) pravilnu upotrebu opreme.
1) Blokhin M.A., Fizika X-zraka, 2. izd., M., 1957;
) Blokhin M.A., Metode rendgenskih spektralnih studija, M., 1959;
) X-zrake. Sat. ed. M.A. Blokhin, trans. s njim. i engleski, M., 1960;
) Kharaja F., Opšti kurs rendgenskog inženjerstva, 3. izd., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Priručnik za analizu rendgenske difrakcije polikristala, M., 1961;
) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Referentne tablice za rendgensku spektroskopiju, M., 1953.
) Rentgenska i elektronsko-optička analiza. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Dodatak za univerzitete. - 4. izd. Dodati. I prerađivač. - M.: "MISiS", 2002. - 360 str.
Aneks 1
Opšti pogled na rendgenske cijevi
Aneks 2
Shema rendgenske cijevi za strukturnu analizu
Šema rendgenske cijevi za strukturnu analizu: 1 - metalno anodno staklo (obično uzemljeno); 2 - prozori od berilija za izlaz rendgenskih zraka; 3 - termoionska katoda; 4 - staklena sijalica, koja izoluje anodni dio cijevi od katode; 5 - katodni terminali, na koje se primjenjuje napon žarne niti, kao i visoki (u odnosu na anodu) napon; 6 - elektrostatički sistem za fokusiranje elektrona; 7 - anoda (antikatoda); 8 - grane za ulaz i izlaz tekuće vode koja hladi anodno staklo.
Aneks 3
Moseley dijagram
Moseley dijagram za K-, L- i M-seriju karakterističnih rendgenskih zraka. Apscisa prikazuje serijski broj elementa Z, ordinata - ( With je brzina svetlosti).
Dodatak 4
Jonizaciona komora.
Fig.1. Presjek cilindrične jonizacijske komore: 1 - cilindrično tijelo komore, koje služi kao negativna elektroda; 2 - cilindrična šipka koja služi kao pozitivna elektroda; 3 - izolatori.
Rice. 2. Šema uključivanja strujne jonizacijske komore: V - napon na elektrodama komore; G je galvanometar koji mjeri jonizacionu struju.
Rice. 3. Strujno-naponska karakteristika jonizacijske komore.
Rice. 4. Šema uključivanja pulsne jonizacione komore: C - kapacitet sabirne elektrode; R je otpor.
Dodatak 5
Scintilacioni brojač.
Šema scintilacionog brojača: svjetlosni kvanti (fotoni) "izbijaju" elektrone sa fotokatode; krećući se od dinoda do dinoda, lavina elektrona se umnožava.
Dodatak 6
Geiger-Muller brojač.
Rice. 1. Šema staklenog Geiger-Muller brojača: 1 - hermetički zatvorena staklena cijev; 2 - katoda (tanki sloj bakra na cijevi od nehrđajućeg čelika); 3 - izlaz katode; 4 - anoda (tanka rastegnuta nit).
Rice. 2. Šema uključivanja Geiger-Muller brojača.
Rice. 3. Karakteristika brojanja Geiger-Muller brojača.
Aneks 7
proporcionalni brojač.
Šema proporcionalnog brojača: a - oblast drifta elektrona; b - područje pojačanja plina.
Aneks 8
Poluprovodnički detektori
Poluvodički detektori; osjetljivo područje je istaknuto šrafiranjem; n - oblast poluprovodnika sa elektronskom provodljivošću, p - sa rupom, i - sa intrinzičnom provodljivošću; a - silikonski detektor površinske barijere; b - drift germanijum-litijum planarni detektor; c - germanijum-litijum koaksijalni detektor.
