Röntgen
Röntgenstrahlung nimmt den Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen Gamma- und Ultraviolettstrahlung ein und ist elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 -14 bis 10 -7 m. In der Medizin wird Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von 5 x 10 -12 bis 2,5 x 10 - 10 m wird verwendet, also 0,05 - 2,5 Angström, und für die Röntgendiagnostik selbst - 0,1 Angström. Strahlung ist ein Strom von Quanten (Photonen), der sich linear mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) ausbreitet. Diese Quanten haben keine elektrische Ladung. Die Masse eines Quants ist ein unbedeutender Teil einer atomaren Masseneinheit.
Energie der Quanten werden in Joule (J) gemessen, in der Praxis wird jedoch häufig eine nicht systemische Einheit verwendet „Elektronenvolt“ (eV) . Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es in einem elektrischen Feld eine Potentialdifferenz von 1 Volt durchläuft. 1 eV = 1,6 10~ 19 J. Die Ableitungen sind das Kiloelektronenvolt (keV), gleich tausend eV, und das Megaelektronenvolt (MeV), gleich einer Million eV.
Röntgenstrahlen werden mit Röntgenröhren, Linearbeschleunigern und Betatronen erzeugt. In einer Röntgenröhre beschleunigt der Potentialunterschied zwischen der Kathode und der Zielanode (mehrere zehn Kilovolt) die Elektronen, die die Anode bombardieren. Röntgenstrahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen im elektrischen Feld der Atome der Anodensubstanz abgebremst werden (Bremsstrahlung) oder bei der Umstrukturierung der inneren Hüllen von Atomen (charakteristische Strahlung) . Charakteristische Röntgenstrahlung ist diskreter Natur und tritt auf, wenn die Elektronen der Atome der Anodensubstanz unter dem Einfluss externer Elektronen oder Strahlungsquanten von einem Energieniveau auf ein anderes übergehen. Bremsstrahlung Röntgenstrahlen hat ein kontinuierliches Spektrum in Abhängigkeit von der Anodenspannung an der Röntgenröhre. Beim Bremsen in der Anodensubstanz verbrauchen Elektronen den größten Teil ihrer Energie für die Erwärmung der Anode (99 %), und nur ein kleiner Teil (1 %) wird in Röntgenenergie umgewandelt. In der Röntgendiagnostik wird am häufigsten Bremsstrahlung verwendet.
Die grundlegenden Eigenschaften der Röntgenstrahlung sind für jede elektromagnetische Strahlung charakteristisch, es gibt jedoch einige Besonderheiten. Röntgenstrahlen haben folgende Eigenschaften:
- Unsichtbarkeit - empfindliche Zellen der menschlichen Netzhaut reagieren nicht auf Röntgenstrahlen, da ihre Wellenlänge tausende Male kürzer ist als die des sichtbaren Lichts;
- gerade Ausbreitung – Strahlen werden wie sichtbares Licht gebrochen, polarisiert (in einer bestimmten Ebene ausgebreitet) und gebeugt. Der Brechungsindex weicht nur sehr wenig von Eins ab;
- Durchschlagskraft - ohne nennenswerte Absorption durch größere Schichten von Substanzen dringen, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind. Je kürzer die Wellenlänge, desto größer ist die Durchdringungskraft der Röntgenstrahlen;
- Aufnahmefähigkeit - die Fähigkeit haben, vom Körpergewebe aufgenommen zu werden; darauf basiert jede Röntgendiagnostik. Die Aufnahmekapazität hängt vom spezifischen Gewicht des Gewebes ab (je höher, desto größer die Aufnahme); von der Dicke des Objekts; über die Strahlungshärte;
- fotografische Aktion - Silberhalogenidverbindungen, einschließlich derjenigen, die in fotografischen Emulsionen enthalten sind, zersetzen, wodurch Röntgenbilder erhalten werden können;
- Lumineszenzeffekt - die Lumineszenz einer Reihe chemischer Verbindungen (Luminophore) bewirken, darauf basiert die Technik der Röntgendurchleuchtung. Die Intensität des Leuchtens hängt von der Struktur des fluoreszierenden Stoffes, seiner Menge und dem Abstand von der Röntgenquelle ab. Leuchtstoffe werden nicht nur verwendet, um Bilder von Untersuchungsobjekten auf einem Durchleuchtungsschirm zu erhalten, sondern auch in der Radiographie, wo sie es ermöglichen, die Strahlenbelastung des Röntgenfilms in der Kassette durch die Verwendung von Verstärkerschirmen, der Oberflächenschicht, zu erhöhen davon besteht aus fluoreszierenden Substanzen;
- Ionisationseffekt - die Fähigkeit haben, den Zerfall neutraler Atome in positiv und negativ geladene Teilchen zu bewirken, darauf basiert die Dosimetrie. Die Wirkung der Ionisierung eines Mediums besteht in der Bildung positiver und negativer Ionen sowie freier Elektronen aus neutralen Atomen und Molekülen der Substanz. Die Ionisierung der Luft im Röntgenraum während des Betriebs der Röntgenröhre führt zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Luft und zu einer Erhöhung der statischen elektrischen Aufladung von Schrankgegenständen. Um solche unerwünschten Wirkungen zu beseitigen, ist in Röntgenräumen eine Zwangsbe- und -absaugung vorgesehen;
- biologische Wirkung - Auswirkungen auf biologische Objekte haben, in den meisten Fällen ist diese Wirkung schädlich;
- Umkehrquadratgesetz - Bei einer punktförmigen Röntgenstrahlungsquelle nimmt die Intensität proportional zum Quadrat des Abstands zur Quelle ab.
Die moderne Medizin bedient sich vieler Ärzte zur Diagnose und Therapie. Einige von ihnen werden erst seit relativ kurzer Zeit verwendet, während andere schon seit Dutzenden oder sogar Hunderten von Jahren praktiziert werden. Außerdem entdeckte William Conrad Röntgen vor 110 Jahren erstaunliche Röntgenstrahlen, die in der wissenschaftlichen und medizinischen Welt großes Aufsehen erregten. Und mittlerweile nutzen sie Ärzte auf der ganzen Welt in ihrer Praxis. Das Thema unseres heutigen Gesprächs wird Röntgenstrahlen in der Medizin sein; wir werden ihren Einsatz etwas ausführlicher besprechen.
Röntgenstrahlen sind eine Art elektromagnetischer Strahlung. Sie zeichnen sich durch erhebliche Durchdringungseigenschaften aus, die von der Wellenlänge der Strahlung sowie von der Dichte und Dicke der bestrahlten Materialien abhängen. Darüber hinaus kann Röntgenstrahlung eine Reihe von Substanzen zum Leuchten bringen, lebende Organismen beeinflussen, Atome ionisieren und auch einige photochemische Reaktionen katalysieren.
Anwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin
Die Eigenschaften von Röntgenstrahlen ermöglichen heute einen breiten Einsatz in der Röntgendiagnostik und Röntgentherapie.
Röntgendiagnostik
Die Röntgendiagnostik wird eingesetzt bei der Durchführung von:
Röntgen (Radioskopie);
- Radiographie (Bild);
- Fluorographie;
- Röntgen und Computertomographie.
Röntgen
Um eine solche Untersuchung durchzuführen, muss sich der Patient zwischen der Röntgenröhre und einem speziellen Fluoreszenzschirm positionieren. Ein spezialisierter Radiologe wählt die erforderliche Härte der Röntgenstrahlen aus und erhält auf dem Bildschirm ein Bild der inneren Organe sowie der Rippen.
Radiographie
Um diese Studie durchzuführen, wird der Patient auf eine Kassette gelegt, die einen speziellen Fotofilm enthält. Das Röntgengerät wird direkt über dem Objekt platziert. Dadurch erscheint auf dem Film ein Negativbild der inneren Organe, das viele kleine Details enthält, detaillierter als bei einer Durchleuchtungsuntersuchung.
Fluorographie
Diese Studie wird im Rahmen medizinischer Massenuntersuchungen der Bevölkerung durchgeführt, unter anderem zur Erkennung von Tuberkulose. Dabei wird ein Bild von einer großen Leinwand auf einen speziellen Film projiziert.
Tomographie
Bei der Tomographie helfen Computerstrahlen dabei, Bilder von Organen an mehreren Stellen gleichzeitig zu erhalten: in speziell ausgewählten Gewebequerschnitten. Diese Röntgenserie wird Tomogramm genannt.
Computertomogramm
Diese Studie ermöglicht die Aufnahme von Abschnitten des menschlichen Körpers mit einem Röntgenscanner. Anschließend werden die Daten in einen Computer eingegeben, wodurch ein Querschnittbild entsteht.
Jede der aufgeführten Diagnosemethoden basiert auf den Eigenschaften eines Röntgenstrahls zur Beleuchtung von Fotofilmen sowie auf der Tatsache, dass menschliche Gewebe und Knochen eine unterschiedliche Durchlässigkeit für ihre Wirkungen aufweisen.
Röntgentherapie
Die Fähigkeit von Röntgenstrahlen, Einfluss zu nehmen auf besondere Weise auf Gewebe wird zur Behandlung von Tumorbildungen eingesetzt. Darüber hinaus machen sich die ionisierenden Eigenschaften dieser Strahlung besonders bei Zellen bemerkbar, die sich schnell teilen können. Genau diese Eigenschaften zeichnen die Zellen bösartiger onkologischer Formationen aus.
Es ist jedoch zu beachten, dass eine Röntgentherapie sehr schwerwiegende Folgen haben kann Nebenwirkungen. Dieser Effekt wirkt sich aggressiv auf den Zustand des hämatopoetischen, endokrinen und Immunsystems aus, dessen Zellen sich zudem sehr schnell teilen. Aggressiver Einfluss auf sie kann Anzeichen einer Strahlenkrankheit hervorrufen.
Die Wirkung von Röntgenstrahlung auf den Menschen
Bei der Untersuchung von Röntgenstrahlen stellten Ärzte fest, dass diese zu Hautveränderungen führen können, die einem Sonnenbrand ähneln, jedoch mit tieferen Hautschäden einhergehen. Die Heilung solcher Geschwüre dauert extrem lange. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass solche Verletzungen vermieden werden können, indem die Strahlungszeit und -dosis reduziert sowie spezielle Abschirmungs- und Fernsteuerungsmethoden eingesetzt werden.
Die aggressiven Auswirkungen von Röntgenstrahlen können sich auch langfristig bemerkbar machen: vorübergehende oder dauerhafte Veränderungen der Blutzusammensetzung, Anfälligkeit für Leukämie und vorzeitiges Altern.
Die Wirkung von Röntgenstrahlen auf einen Menschen hängt von vielen Faktoren ab: welches Organ wie lange bestrahlt wird. Eine Bestrahlung der blutbildenden Organe kann zu Blutkrankheiten führen und die Einwirkung auf die Genitalien kann zu Unfruchtbarkeit führen.
Die Durchführung einer systematischen Bestrahlung ist mit der Entwicklung genetischer Veränderungen im Körper behaftet.
Der wahre Schaden von Röntgenstrahlen in der Röntgendiagnostik
Bei der Untersuchung verwenden Ärzte die geringstmögliche Anzahl an Röntgenstrahlen. Alle Strahlendosen erfüllen bestimmte akzeptable Standards und können einer Person nicht schaden. Eine erhebliche Gefahr stellt die Röntgendiagnostik nur für die sie durchführenden Ärzte dar. Und dann helfen moderne Schutzmethoden, die Aggressivität der Strahlen auf ein Minimum zu reduzieren.
Zu den sichersten Methoden der Röntgendiagnostik zählen das Röntgen der Extremitäten sowie Zahnröntgenaufnahmen. Den nächsten Platz in dieser Rangliste belegt die Mammographie, gefolgt von der Computertomographie und der Radiographie.
Damit der Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin dem Menschen nur Vorteile bringt, ist es notwendig, mit ihrer Hilfe nur bei entsprechender Indikation zu forschen.
Röntgenstrahlen sind eine Art hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Es wird in verschiedenen Bereichen der Medizin aktiv eingesetzt.
Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen, deren Photonenenergie auf der Skala elektromagnetischer Wellen zwischen ultravioletter Strahlung und Gammastrahlung (von ~10 eV bis ~1 MeV) liegt, was Wellenlängen von ~10^3 bis ~10^−2 Angström entspricht ( von ~10^−7 bis ~10^−12 m). Das heißt, es handelt sich um unvergleichlich härtere Strahlung als sichtbares Licht, das auf dieser Skala zwischen ultravioletter und infraroter („thermischer“) Strahlung liegt.
Die Grenze zwischen Röntgen- und Gammastrahlung wird bedingt unterschieden: Ihre Bereiche schneiden sich, Gammastrahlen können eine Energie von 1 keV haben. Sie unterscheiden sich im Ursprung: Gammastrahlen werden bei Prozessen in Atomkernen emittiert, während Röntgenstrahlen bei Prozessen emittiert werden, an denen Elektronen beteiligt sind (sowohl freie als auch solche, die sich in den Elektronenhüllen von Atomen befinden). Gleichzeitig lässt sich aus dem Photon selbst nicht erkennen, bei welchem Prozess es entstanden ist, das heißt die Einteilung in den Röntgen- und Gammabereich ist weitgehend willkürlich.
Der Röntgenbereich wird in „weiches Röntgen“ und „hartes Röntgen“ unterteilt. Die Grenze zwischen ihnen liegt bei einer Wellenlänge von 2 Angström und einer Energie von 6 keV.
Ein Röntgengenerator ist eine Röhre, in der ein Vakuum erzeugt wird. Dort befinden sich Elektroden – eine Kathode, an die eine negative Ladung angelegt wird, und eine positiv geladene Anode. Die Spannung zwischen ihnen beträgt mehrere zehn bis hunderte Kilovolt. Die Erzeugung von Röntgenphotonen erfolgt, wenn Elektronen von der Kathode „abbrechen“ und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche der Anode prallen. Die dabei entstehende Röntgenstrahlung wird „Bremsstrahlung“ genannt; ihre Photonen haben unterschiedliche Wellenlängen.
Gleichzeitig werden Photonen des charakteristischen Spektrums erzeugt. Ein Teil der Elektronen in den Atomen der Anodensubstanz wird angeregt, das heißt, sie bewegen sich auf höhere Bahnen und kehren dann in ihren Normalzustand zurück, wobei sie Photonen einer bestimmten Wellenlänge aussenden. In einem Standardgenerator werden beide Arten von Röntgenstrahlung erzeugt.
Am 8. November 1895 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Wilhelm Conrad Röntgen, dass bestimmte Substanzen zu leuchten begannen, wenn sie „Kathodenstrahlen“, also einem von einer Kathodenstrahlröhre erzeugten Elektronenstrom, ausgesetzt wurden. Er erklärte dieses Phänomen mit dem Einfluss bestimmter Röntgenstrahlen – so wird diese Strahlung heute in vielen Sprachen genannt. Später V.K. Röntgen untersuchte das von ihm entdeckte Phänomen. Am 22. Dezember 1895 hielt er an der Universität Würzburg einen Vortrag zu diesem Thema.
Später stellte sich heraus, dass Röntgenstrahlung schon früher beobachtet worden war, den damit verbundenen Phänomenen jedoch keine große Bedeutung beigemessen wurde. Die Kathodenstrahlröhre wurde vor langer Zeit erfunden, aber bevor V.K. Niemand hat den Röntgenstrahlen, der Schwärzung von Fotoplatten in der Nähe usw. viel Aufmerksamkeit geschenkt. Phänomene. Auch die Gefahr durch eindringende Strahlung war unbekannt.
„Röntgenstrahlung“ ist die mildeste Art durchdringender Strahlung. Eine übermäßige Belastung durch weiche Röntgenstrahlen ähnelt der Wirkung ultravioletter Strahlung, jedoch in einer schwerwiegenderen Form. Auf der Haut entsteht eine Verbrennung, die jedoch tiefer liegt und viel langsamer heilt.
Harte Röntgenstrahlung ist eine vollwertige ionisierende Strahlung, die zur Strahlenkrankheit führen kann. Röntgenquanten können die Proteinmoleküle, aus denen das Gewebe des menschlichen Körpers besteht, sowie die DNA-Moleküle des Genoms aufbrechen. Aber selbst wenn das Röntgenquant ein Wassermolekül aufspaltet, macht das keinen Unterschied: In diesem Fall entstehen chemisch aktive freie Radikale H und OH, die ihrerseits in der Lage sind, Proteine und DNA zu beeinflussen. Die Strahlenkrankheit tritt umso schwerer auf, je stärker die blutbildenden Organe betroffen sind.
Röntgenstrahlen wirken mutagen und krebserregend. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit spontaner Mutationen in Zellen während der Bestrahlung steigt und manchmal gesunde Zellen zu Krebszellen entarten können. Eine erhöhte Wahrscheinlichkeit bösartiger Tumore ist eine normale Folge jeder Strahlenexposition, einschließlich Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen sind die am wenigsten gefährliche Art durchdringender Strahlung, können aber dennoch gefährlich sein.
Röntgenstrahlung wird in der Medizin, aber auch in anderen Bereichen menschlicher Tätigkeit eingesetzt.
Die häufigste Anwendung von Röntgenstrahlen ist die Durchleuchtung. Durch das „Röntgen“ des menschlichen Körpers können Sie ein detailliertes Bild sowohl der Knochen (sie sind am deutlichsten sichtbar) als auch Bilder der inneren Organe erhalten.
Die unterschiedliche Transparenz von Körpergeweben im Röntgenlicht hängt mit ihrer chemischen Zusammensetzung zusammen. Die Strukturmerkmale der Knochen bestehen darin, dass sie viel Kalzium und Phosphor enthalten. Andere Gewebe bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Ein Phosphoratom wiegt fast doppelt so viel wie ein Sauerstoffatom, ein Kalziumatom sogar 2,5-mal so viel (Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff sind sogar leichter als Sauerstoff). In dieser Hinsicht ist die Absorption von Röntgenphotonen in Knochen viel höher.
Zusätzlich zu zweidimensionalen „Bildern“ ermöglicht die Radiographie die Erstellung eines dreidimensionalen Bildes eines Organs: Diese Art der Radiographie wird Computertomographie genannt. Zu diesem Zweck werden weiche Röntgenstrahlen verwendet. Die von einem Bild aufgenommene Strahlungsmenge ist gering: Sie entspricht ungefähr der Strahlung, die während eines zweistündigen Fluges in einem Flugzeug in einer Höhe von 10 km aufgenommen wird.
Mit der Röntgenfehlererkennung können Sie kleinere interne Fehler in Produkten erkennen. Dabei wird harte Röntgenstrahlung verwendet, da viele Materialien (z. B. Metall) aufgrund der hohen Atommasse ihrer Bestandteile schlecht „transparent“ sind.
Röntgenstrahlen verfügen über Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, einzelne Atome detailliert zu untersuchen. Die Röntgenbeugungsanalyse wird in der Chemie (einschließlich Biochemie) und Kristallographie aktiv eingesetzt. Das Funktionsprinzip ist die Beugungsstreuung von Röntgenstrahlen an Atomen von Kristallen oder komplexen Molekülen. Mittels Röntgenbeugungsanalyse wurde die Struktur des DNA-Moleküls bestimmt.
Mit der Röntgenfluoreszenzanalyse können Sie schnell feststellen chemische Zusammensetzung Substanzen.
Es gibt viele Formen der Strahlentherapie, aber alle beinhalten den Einsatz ionisierender Strahlung. Die Strahlentherapie wird in zwei Typen unterteilt: Korpuskular- und Wellentherapie. Corpuscular nutzt Flüsse von Alphateilchen (Kernen von Heliumatomen), Betateilchen (Elektronen), Neutronen, Protonen und Schwerionen. Wave nutzt Strahlen des elektromagnetischen Spektrums – Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Strahlentherapieverfahren werden vor allem zur Behandlung von Krebserkrankungen eingesetzt. Fakt ist, dass Strahlung vor allem teilungsaktive Zellen betrifft, weshalb die blutbildenden Organe so stark leiden (ihre Zellen teilen sich ständig und produzieren immer mehr neue rote Blutkörperchen). Auch Krebszellen teilen sich ständig und sind anfälliger für Strahlung als gesundes Gewebe.
Es wird eine Strahlungsmenge verwendet, die die Aktivität von Krebszellen unterdrückt und gleichzeitig eine mäßige Wirkung auf gesunde Zellen hat. Unter dem Einfluss von Strahlung kommt es nicht zur Zerstörung von Zellen als solchen, sondern zu einer Schädigung ihres Genoms – der DNA-Moleküle. Eine Zelle mit zerstörtem Genom kann noch einige Zeit existieren, sich aber nicht mehr teilen, das heißt, das Tumorwachstum stoppt.
Die Röntgentherapie ist die mildeste Form der Strahlentherapie. Wellenstrahlung ist weicher als Korpuskularstrahlung und Röntgenstrahlung ist weicher als Gammastrahlung.
Der Einsatz ionisierender Strahlung während der Schwangerschaft ist gefährlich. Röntgenstrahlen sind mutagen und können beim Fötus Probleme verursachen. Eine Röntgentherapie ist mit einer Schwangerschaft nicht vereinbar: Sie kann nur angewendet werden, wenn bereits zu einem Schwangerschaftsabbruch entschieden wurde. Die Einschränkungen für die Durchleuchtung sind milder, in den ersten Monaten ist sie jedoch ebenfalls strengstens verboten.
Wenn unbedingt erforderlich, wird die Röntgenuntersuchung durch eine Magnetresonanztomographie ersetzt. Aber auch im ersten Trimester versuchen sie es zu vermeiden (diese Methode ist erst vor kurzem erschienen und wir können mit absoluter Sicherheit sagen, dass es keine schädlichen Folgen hat).
Eine eindeutige Gefahr besteht bei einer Gesamtdosis von mindestens 1 mSv (in alten Einheiten - 100 mR). Bei einer einfachen Röntgenaufnahme (zum Beispiel bei einer Fluorographie) erhält der Patient etwa 50-mal weniger. Um eine solche Dosis auf einmal zu erhalten, ist eine detaillierte Computertomographie erforderlich.
Das heißt, die Tatsache einer 1-2-fachen „Röntgenaufnahme“ in einem frühen Stadium der Schwangerschaft birgt keine schwerwiegenden Folgen (es ist jedoch besser, dies nicht zu riskieren).
Röntgenstrahlen werden vor allem im Kampf gegen bösartige Tumore eingesetzt. Diese Methode ist gut, weil sie hochwirksam ist: Sie tötet den Tumor ab. Das Schlechte daran ist, dass es gesundem Gewebe kaum besser geht und es zahlreiche Nebenwirkungen gibt. Besonders gefährdet sind die blutbildenden Organe.
In der Praxis werden verschiedene Methoden eingesetzt, um die Einwirkung von Röntgenstrahlen auf gesundes Gewebe zu reduzieren. Die Strahlen sind in einem Winkel gerichtet, sodass sich der Tumor im Bereich ihres Schnittpunkts befindet (dadurch erfolgt die Hauptenergieabsorption genau dort). Manchmal wird der Eingriff in Bewegung durchgeführt: Der Körper des Patienten dreht sich relativ zur Strahlenquelle um eine Achse, die durch den Tumor verläuft. Dabei befinden sich gesunde Gewebe nur gelegentlich in der Bestrahlungszone, erkrankte Gewebe hingegen ständig.
Röntgenstrahlen werden bei der Behandlung bestimmter Arthrosen und ähnlicher Erkrankungen sowie Hauterkrankungen eingesetzt. In diesem Fall wird das Schmerzsyndrom um 50-90 % reduziert. Da die verwendete Strahlung weicher ist, werden Nebenwirkungen, wie sie bei der Behandlung von Tumoren auftreten, nicht beobachtet.
Röntgenstrahlung (Synonym Röntgenstrahlen) hat einen weiten Wellenlängenbereich (von 8·10 -6 bis 10 -12 cm). Röntgenstrahlung entsteht, wenn geladene Teilchen, meist Elektronen, im elektrischen Feld von Atomen einer Substanz abgebremst werden. Die dabei gebildeten Quanten haben unterschiedliche Energien und bilden ein kontinuierliches Spektrum. Die maximale Energie der Quanten in einem solchen Spektrum ist gleich der Energie der einfallenden Elektronen. In (cm) ist die maximale Energie von Röntgenquanten, ausgedrückt in Kiloelektronenvolt, numerisch gleich der Größe der an die Röhre angelegten Spannung, ausgedrückt in Kilovolt. Wenn Röntgenstrahlen einen Stoff durchdringen, interagieren sie mit den Elektronen seiner Atome. Für Röntgenquanten mit Energien bis 100 keV ist der photoelektrische Effekt die charakteristischste Art der Wechselwirkung. Durch eine solche Wechselwirkung wird die Energie des Quantens vollständig dafür aufgewendet, das Elektron aus der Atomhülle herauszureißen und ihm kinetische Energie zu verleihen. Mit zunehmender Energie eines Röntgenquants nimmt die Wahrscheinlichkeit des photoelektrischen Effekts ab und der Prozess der Streuung von Quanten durch freie Elektronen – der sogenannte Compton-Effekt – wird vorherrschend. Durch eine solche Wechselwirkung entsteht auch ein Sekundärelektron und zusätzlich wird ein Quant mit einer Energie emittiert, die niedriger ist als die Energie des Primärquants. Übersteigt die Energie des Röntgenquants ein Megaelektronenvolt, kann es zum sogenannten Paarungseffekt kommen, bei dem ein Elektron und ein Positron entstehen (siehe). Folglich nimmt beim Durchgang durch einen Stoff die Energie der Röntgenstrahlung ab, d. h. ihre Intensität nimmt ab. Da die Absorption niederenergetischer Quanten mit größerer Wahrscheinlichkeit erfolgt, wird die Röntgenstrahlung mit höherenergetischen Quanten angereichert. Diese Eigenschaft der Röntgenstrahlung wird genutzt, um die mittlere Energie von Quanten zu erhöhen, also ihre Härte zu erhöhen. Eine Erhöhung der Härte der Röntgenstrahlung wird durch spezielle Filter erreicht (siehe). Röntgenstrahlung wird zur Röntgendiagnostik eingesetzt (siehe) und (siehe). Siehe auch Ionisierende Strahlung.
Röntgenstrahlung (Synonym: Röntgenstrahlung, Röntgenstrahlung) ist quantenelektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 250 bis 0,025 A (oder Energiequanten von 5·10 -2 bis 5·10 2 keV). 1895 wurde es von V. K. Röntgen entdeckt. Der der Röntgenstrahlung benachbarte Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung, dessen Energiequanten 500 keV überschreiten, wird als Gammastrahlung bezeichnet (siehe); Strahlung, deren Energiequanten unter 0,05 keV liegen, gilt als ultraviolette Strahlung (siehe).
Daher stellt Röntgenstrahlung einen relativ kleinen Teil des riesigen Spektrums elektromagnetischer Strahlung dar, das sowohl Radiowellen als auch sichtbares Licht umfasst, und breitet sich wie jede elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus (in einem Vakuum von etwa 300.000 km/h). Sek.) und wird durch eine Wellenlänge λ (die Entfernung, die Strahlung in einer Schwingungsperiode zurücklegt) charakterisiert. Röntgenstrahlung hat auch eine Reihe anderer Welleneigenschaften (Brechung, Interferenz, Beugung), diese sind jedoch viel schwieriger zu beobachten als längerwellige Strahlung: sichtbares Licht, Radiowellen.
Röntgenspektren: a1 – kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum bei 310 kV; a – kontinuierliches Bremsspektrum bei 250 kV, a1 – Spektrum gefiltert mit 1 mm Cu, a2 – Spektrum gefiltert mit 2 mm Cu, b – Wolframlinien der K-Serie.
Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung werden Röntgenröhren (siehe) verwendet, in denen Strahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen mit Atomen der Anodensubstanz interagieren. Es gibt zwei Arten von Röntgenstrahlung: Bremsstrahlung und charakteristische. Bremsstrahlung-Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum, ähnlich wie gewöhnliches weißes Licht. Die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Abb.) wird durch eine Kurve mit einem Maximum dargestellt; Zu langen Wellen hin fällt die Kurve flach ab, zu kurzen Wellen hin fällt sie steil ab und endet bei einer bestimmten Wellenlänge (λ0), der sogenannten Kurzwellengrenze des kontinuierlichen Spektrums. Der Wert von λ0 ist umgekehrt proportional zur Spannung an der Röhre. Bremsstrahlung entsteht, wenn schnelle Elektronen mit Atomkernen interagieren. Die Intensität der Bremsstrahlung ist direkt proportional zur Stärke des Anodenstroms, dem Quadrat der Spannung an der Röhre und der Ordnungszahl (Z) der Anodensubstanz.
Übersteigt die Energie der in der Röntgenröhre beschleunigten Elektronen den für den Anodenstoff kritischen Wert (diese Energie wird durch die für diesen Stoff an der Röhre kritische Spannung Vcr bestimmt), so entsteht charakteristische Strahlung. Das charakteristische Spektrum ist linienförmig; seine Spektrallinien bilden Reihen, die mit den Buchstaben K, L, M, N bezeichnet werden.
Die K-Serie ist die kürzeste Wellenlänge, die L-Serie ist die längere Wellenlänge, die M- und N-Serie werden nur in schweren Elementen beobachtet (Vcr von Wolfram für die K-Serie beträgt 69,3 kV, für die L-Serie - 12,1 kV). Charakteristische Strahlung entsteht wie folgt. Schnelle Elektronen schlagen Atomelektronen aus ihren inneren Hüllen. Das Atom wird angeregt und kehrt dann in den Grundzustand zurück. In diesem Fall füllen Elektronen aus den äußeren, weniger gebundenen Schalen die frei gewordenen Räume in den inneren Schalen und es werden Photonen charakteristischer Strahlung mit einer Energie emittiert, die der Differenz zwischen den Energien des Atoms im angeregten Zustand und im Grundzustand entspricht. Dieser Unterschied (und damit die Photonenenergie) hat einen bestimmten, für jedes Element charakteristischen Wert. Dieses Phänomen liegt der Röntgenspektralanalyse von Elementen zugrunde. Die Abbildung zeigt das Linienspektrum von Wolfram vor dem Hintergrund eines kontinuierlichen Bremsstrahlungsspektrums.
Die Energie der in der Röntgenröhre beschleunigten Elektronen wird fast vollständig in thermische Energie umgewandelt (die Anode wird sehr heiß), nur ein kleiner Teil (ca. 1 % bei einer Spannung nahe 100 kV) wird in Bremsstrahlungsenergie umgewandelt.
Der Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin basiert auf den Gesetzen der Absorption von Röntgenstrahlen durch Materie. Die Absorption von Röntgenstrahlung ist völlig unabhängig von den optischen Eigenschaften der Absorbersubstanz. Farbloses und transparentes Bleiglas, das zum Schutz des Personals in Röntgenräumen eingesetzt wird, absorbiert Röntgenstrahlen nahezu vollständig. Im Gegensatz dazu schwächt ein Blatt Papier, das für Licht nicht transparent ist, Röntgenstrahlen nicht.
Die Intensität eines homogenen Röntgenstrahls (d. h. einer bestimmten Wellenlänge), der eine Absorberschicht durchdringt, nimmt gemäß dem Exponentialgesetz (e-x) ab, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus (2,718) und der Exponent x ist gleich dem Produkt Massenschwächungskoeffizient (μ/p) cm 2 /g pro Absorberdicke in g/cm 2 (hier ist p die Dichte des Stoffes in g/cm 3). Die Schwächung der Röntgenstrahlung erfolgt sowohl durch Streuung als auch durch Absorption. Dementsprechend ist der Massenschwächungskoeffizient die Summe der Massenabsorptions- und Streukoeffizienten. Der Massenabsorptionskoeffizient steigt mit zunehmender Ordnungszahl (Z) des Absorbers (proportional zu Z3 oder Z5) und mit zunehmender Wellenlänge (proportional zu λ3) stark an. Diese Abhängigkeit von der Wellenlänge wird innerhalb der Absorptionsbanden beobachtet, an deren Grenzen der Koeffizient Sprünge aufweist.
Der Massenstreukoeffizient steigt mit zunehmender Ordnungszahl des Stoffes. Bei λ≥0,3 Å hängt der Streukoeffizient bei λ nicht von der Wellenlänge ab<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Eine Abnahme der Absorptions- und Streukoeffizienten mit abnehmender Wellenlänge führt zu einer Erhöhung der Durchdringungskraft der Röntgenstrahlung. Der Massenabsorptionskoeffizient für Knochen [die Aufnahme erfolgt hauptsächlich über Ca 3 (PO 4) 2 ] ist fast 70-mal größer als für Weichgewebe, wo die Aufnahme hauptsächlich über Wasser erfolgt. Dies erklärt, warum sich der Knochenschatten auf Röntgenaufnahmen so deutlich vom Hintergrund des Weichgewebes abhebt.
Die Ausbreitung eines ungleichmäßigen Röntgenstrahls durch ein beliebiges Medium geht zusammen mit einer Abnahme der Intensität mit einer Änderung der spektralen Zusammensetzung und einer Änderung der Qualität der Strahlung einher: Der langwellige Teil des Spektrums ist stärker absorbiert als der kurzwellige Anteil, wird die Strahlung gleichmäßiger. Durch das Herausfiltern des langwelligen Teils des Spektrums kann bei der Röntgentherapie tief im menschlichen Körper befindlicher Läsionen das Verhältnis zwischen Tiefen- und Oberflächendosis verbessert werden (siehe Röntgenfilter). Um die Qualität eines inhomogenen Röntgenstrahls zu charakterisieren, wird das Konzept der „Halbschwächungsschicht (L)“ verwendet – eine Substanzschicht, die die Strahlung um die Hälfte schwächt. Die Dicke dieser Schicht hängt von der Spannung an der Röhre, der Dicke und dem Material des Filters ab. Zur Messung von Halbdämpfungsschichten werden Cellophan (bis zu 12 keV Energie), Aluminium (20–100 keV), Kupfer (60–300 keV), Blei und Kupfer (>300 keV) verwendet. Für Röntgenstrahlen, die bei Spannungen von 80–120 kV erzeugt werden, entspricht 1 mm Kupfer in der Filterkapazität 26 mm Aluminium, 1 mm Blei entspricht 50,9 mm Aluminium.
Die Absorption und Streuung von Röntgenstrahlung beruht auf ihren korpuskularen Eigenschaften; Röntgenstrahlung interagiert mit Atomen als Strom von Korpuskeln (Teilchen) – Photonen, von denen jedes eine bestimmte Energie hat (umgekehrt proportional zur Wellenlänge der Röntgenstrahlung). Der Energiebereich von Röntgenphotonen liegt zwischen 0,05 und 500 keV.
Die Absorption von Röntgenstrahlung beruht auf dem photoelektrischen Effekt: Die Absorption eines Photons durch die Elektronenhülle geht mit dem Ausstoß eines Elektrons einher. Das Atom wird angeregt und sendet bei Rückkehr in den Grundzustand charakteristische Strahlung aus. Das emittierte Photoelektron trägt die gesamte Energie des Photons (abzüglich der Bindungsenergie des Elektrons im Atom) mit sich.
Röntgenstreuung wird durch Elektronen im Streumedium verursacht. Man unterscheidet zwischen klassischer Streuung (die Wellenlänge der Strahlung ändert sich nicht, aber die Ausbreitungsrichtung ändert sich) und Streuung mit Wellenlängenänderung – dem Compton-Effekt (die Wellenlänge der gestreuten Strahlung ist größer als die der einfallenden Strahlung). ). Im letzteren Fall verhält sich das Photon wie eine sich bewegende Kugel, und die Streuung der Photonen erfolgt nach Comtons bildlichem Ausdruck wie beim Billardspielen mit Photonen und Elektronen: Beim Zusammenstoß mit einem Elektron überträgt das Photon einen Teil seiner Energie auf dieses und ist es gestreut, mit weniger Energie (entsprechend nimmt die Wellenlänge der gestreuten Strahlung zu), fliegt ein Elektron mit Rückstoßenergie aus dem Atom (diese Elektronen werden Compton-Elektronen oder Rückstoßelektronen genannt). Die Absorption von Röntgenenergie erfolgt bei der Bildung von Sekundärelektronen (Compton- und Photoelektronen) und der Energieübertragung auf diese. Die Energie der Röntgenstrahlung, die auf eine Masseneinheit einer Substanz übertragen wird, bestimmt die absorbierte Dosis der Röntgenstrahlung. Die Einheit dieser Dosis 1 Rad entspricht 100 Erg/g. Aufgrund der absorbierten Energie laufen in der Absorbersubstanz eine Reihe von Sekundärprozessen ab, die für die Röntgendosimetrie wichtig sind, da auf ihnen die Methoden zur Messung von Röntgenstrahlung basieren. (siehe Dosimetrie).
Alle Gase und viele Flüssigkeiten, Halbleiter und Dielektrika erhöhen die elektrische Leitfähigkeit, wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt werden. Die Leitfähigkeit wird durch die besten Isoliermaterialien nachgewiesen: Paraffin, Glimmer, Gummi, Bernstein. Die Änderung der Leitfähigkeit wird durch die Ionisierung des Mediums verursacht, d. h. die Trennung neutraler Moleküle in positive und negative Ionen (die Ionisierung wird durch Sekundärelektronen erzeugt). Die Ionisierung in Luft wird verwendet, um die Röntgenexpositionsdosis (Dosis in Luft) zu bestimmen, die in Röntgen gemessen wird (siehe Dosen ionisierender Strahlung). Bei einer Dosis von 1 r beträgt die absorbierte Dosis in der Luft 0,88 rad.
Unter dem Einfluss von Röntgenstrahlung wird infolge der Anregung von Molekülen eines Stoffes (und bei der Rekombination von Ionen) in vielen Fällen ein sichtbares Leuchten des Stoffes angeregt. Bei hohen Intensitäten der Röntgenstrahlung wird in Luft, Papier, Paraffin usw. (mit Ausnahme von Metallen) ein sichtbares Leuchten beobachtet. Die höchste Ausbeute an sichtbarer Lumineszenz bieten kristalline Leuchtstoffe wie Zn·CdS·Ag-Phosphor und andere, die für Fluoroskopieschirme verwendet werden.
Unter dem Einfluss von Röntgenstrahlung können in einem Stoff auch verschiedene chemische Prozesse ablaufen: Zersetzung von Silberhalogenidverbindungen (ein fotografischer Effekt, der in der Röntgenfotografie genutzt wird), Zersetzung von Wasser und wässrigen Lösungen von Wasserstoffperoxid, Veränderungen der Eigenschaften aus Zelluloid (Trübung und Freisetzung von Kampfer), Paraffin (Trübung und Bleiche).
Durch die vollständige Umwandlung wird die gesamte von der chemisch inerten Substanz absorbierte Energie, die Röntgenstrahlung, in Wärme umgewandelt. Die Messung sehr kleiner Wärmemengen erfordert hochempfindliche Methoden, ist jedoch die Hauptmethode für absolute Messungen der Röntgenstrahlung.
Sekundäre biologische Wirkungen durch die Einwirkung von Röntgenstrahlung sind die Grundlage der medizinischen Röntgentherapie (siehe). Röntgenstrahlung, deren Quanten 6-16 keV (effektive Wellenlängen von 2 bis 5 Å) betragen, wird vom Hautgewebe des menschlichen Körpers fast vollständig absorbiert; diese werden Grenzstrahlen oder manchmal Bucca-Strahlen genannt (siehe Bucca-Strahlen). Für die Tiefenröntgentherapie wird hart gefilterte Strahlung mit wirksamen Energiequanten von 100 bis 300 keV verwendet.
Die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung sollte nicht nur bei der Röntgentherapie, sondern auch bei der Röntgendiagnostik sowie in allen anderen Fällen des Kontakts mit Röntgenstrahlung berücksichtigt werden, die den Einsatz eines Strahlenschutzes erfordern (sehen).
BUNDESAGENTUR FÜR BILDUNG DER RF
STAATLICHE BILDUNGSEINRICHTUNG
Höhere Berufsausbildung
MOSKAUER STAATLICHES INSTITUT FÜR STAHL UND LEGIERUNGEN
(UNIVERSITÄT FÜR TECHNOLOGIE)
NOVOTROITSKY-ZWEIG
Abteilung für OED
KURSARBEIT
Disziplin: Physik
Thema: Röntgen
Studentin: Nedorezova N.A.
Gruppe: EiU-2004-25, Nr. Z.K.: 04N036
Geprüft von: Ozhegova S.M.
Einführung
Kapitel 1. Entdeckung der Röntgenstrahlen
1.1 Biographie von Röntgen Wilhelm Conrad
1.2 Entdeckung der Röntgenstrahlen
Kapitel 2. Röntgenstrahlung
2.1 Röntgenquellen
2.2 Eigenschaften von Röntgenstrahlen
2.3 Erkennung von Röntgenstrahlen
2.4 Einsatz von Röntgenstrahlen
Kapitel 3. Anwendung von Röntgenstrahlen in der Metallurgie
3.1 Analyse von Kristallstrukturfehlern
3.2 Spektralanalyse
Abschluss
Liste der verwendeten Quellen
Anwendungen
Es war eine seltene Person, die den Röntgenraum nicht aufsuchte. Röntgenbilder sind jedem bekannt. 1995 jährte sich diese Entdeckung zum hundertsten Mal. Man kann sich kaum vorstellen, welches enorme Interesse es vor einem Jahrhundert hervorrief. In den Händen eines Mannes befand sich ein Gerät, mit dessen Hilfe es möglich war, das Unsichtbare zu sehen.
Diese unsichtbare Strahlung, die, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß, in alle Stoffe eindringen kann und elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10 -8 cm darstellt, wurde zu Ehren ihres Entdeckers Wilhelm Röntgen Röntgenstrahlung genannt.
Wie sichtbares Licht führen Röntgenstrahlen dazu, dass fotografische Filme schwarz werden. Diese Eigenschaft ist wichtig für Medizin, Industrie und wissenschaftliche Forschung. Röntgenstrahlung durchdringt das Untersuchungsobjekt und fällt dann auf den fotografischen Film. Dort bildet sie dessen innere Struktur ab. Da die Durchdringungskraft der Röntgenstrahlung je nach Material unterschiedlich ist, erzeugen Teile des Objekts, die für sie weniger transparent sind, hellere Bereiche im Foto als diejenigen, durch die die Strahlung gut eindringt. Daher ist Knochengewebe für Röntgenstrahlen weniger transparent als das Gewebe, aus dem die Haut und die inneren Organe bestehen. Daher erscheinen die Knochen auf einer Röntgenaufnahme als hellere Bereiche und die Frakturstelle, die für Strahlung weniger durchlässig ist, kann recht einfach erkannt werden. Röntgenstrahlen werden auch in der Zahnmedizin zur Erkennung von Karies und Abszessen an den Zahnwurzeln eingesetzt, in der Industrie zur Erkennung von Rissen in Gussteilen, Kunststoffen und Gummi, in der Chemie zur Analyse von Verbindungen und in der Physik zur Untersuchung der Struktur von Kristallen.
Auf Röntgens Entdeckung folgten Experimente anderer Forscher, die viele neue Eigenschaften und Anwendungen dieser Strahlung entdeckten. Einen wesentlichen Beitrag leisteten M. Laue, W. Friedrich und P. Knipping, die 1912 die Beugung von Röntgenstrahlen durch einen Kristall demonstrierten; W. Coolidge, der 1913 eine Hochvakuum-Röntgenröhre mit beheizter Kathode erfand; G. Moseley, der 1913 den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge der Strahlung und der Ordnungszahl eines Elements feststellte; G. und L. Bragg, die 1915 den Nobelpreis für die Entwicklung der Grundlagen der Röntgenstrukturanalyse erhielten.
Der Zweck dieser Kursarbeit besteht darin, das Phänomen der Röntgenstrahlung, die Entdeckungsgeschichte und Eigenschaften zu untersuchen und den Umfang ihrer Anwendung zu ermitteln.
Wilhelm Conrad Röntgen wurde am 17. März 1845 in der an Holland angrenzenden deutschen Region in der Stadt Lenepe geboren. Seine technische Ausbildung erhielt er in Zürich an derselben Höheren Technischen Schule (Polytechnikum), an der Einstein später studierte. Seine Leidenschaft für die Physik zwang ihn nach seinem Schulabschluss im Jahr 1866, seine Physikausbildung fortzusetzen.
Nachdem er 1868 seine Dissertation zum Doktor der Philosophie verteidigt hatte, arbeitete er als Assistent am Institut für Physik, zunächst in Zürich, dann in Gießen und dann in Straßburg (1874–1879) bei Kundt. Hier durchlief Röntgen eine gute Experimentalschule und wurde ein erstklassiger Experimentator. Röntgen führte einige seiner wichtigen Forschungen mit seinem Studenten, einem der Begründer der sowjetischen Physik A.F., durch. Ioffe.
Wissenschaftliche Forschung bezieht sich auf Elektromagnetismus, Kristallphysik, Optik und Molekularphysik.
Im Jahr 1895 entdeckte er Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge als die ultravioletten Strahlen (Röntgenstrahlen), später Röntgenstrahlen genannt, und untersuchte ihre Eigenschaften: die Fähigkeit, Luft zu reflektieren, zu absorbieren, zu ionisieren usw. Er schlug den richtigen Aufbau einer Röhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen vor – eine geneigte Platin-Antikathode und eine konkave Kathode: Er war der Erste, der mit Röntgenstrahlen fotografierte. Er entdeckte 1885 das Magnetfeld eines Dielektrikums, das sich in einem elektrischen Feld bewegt (den sogenannten „Röntgenstrom“). Seine Erfahrung zeigte deutlich, dass das Magnetfeld durch bewegte Ladungen entsteht und wichtig für die Entstehung des war elektronische Theorie von X. Lorentz. Eine bedeutende Anzahl von Röntgens Werken widmet sich der Untersuchung der Eigenschaften von Flüssigkeiten, Gasen, Kristallen und elektromagnetischen Phänomenen. Er entdeckte die Beziehung zwischen elektrischen und optischen Phänomenen in Kristallen. Für die Entdeckung der Strahlen, die seinen Namen tragen Röntgen war 1901 der erste Physiker, der den Nobelpreis erhielt.
Von 1900 bis zu seinen letzten Lebenstagen (er starb am 10. Februar 1923) arbeitete er an der Universität München.
Ende des 19. Jahrhunderts war geprägt von einem zunehmenden Interesse an den Phänomenen des Stromdurchgangs durch Gase. Auch Faraday untersuchte diese Phänomene ernsthaft, beschrieb verschiedene Formen der Entladung und entdeckte einen dunklen Raum in einer leuchtenden Säule aus verdünntem Gas. Der Faraday-Dunkelraum trennt das bläuliche Kathodenglühen vom rosafarbenen, anodischen Leuchten.
Eine weitere Erhöhung der Gasverdünnung verändert die Art des Leuchtens erheblich. Der Mathematiker Plücker (1801-1868) entdeckte 1859 bei ausreichend starkem Vakuum ein schwach bläuliches Strahlenbündel, das von der Kathode ausgeht, die Anode erreicht und das Glas der Röhre zum Leuchten bringt. Plückers Schüler Hittorf (1824-1914) setzte 1869 die Forschungen seines Lehrers fort und zeigte, dass auf der fluoreszierenden Oberfläche der Röhre ein deutlicher Schatten entsteht, wenn ein fester Körper zwischen Kathode und dieser Oberfläche platziert wird.
Goldstein (1850-1931), der die Eigenschaften von Strahlen untersuchte, nannte sie Kathodenstrahlen (1876). Drei Jahre später bewies William Crookes (1832-1919) die materielle Natur der Kathodenstrahlen und nannte sie „strahlende Materie“, eine Substanz in einem besonderen vierten Zustand. Sein Beweis war überzeugend und anschaulich. Experimente mit der „Crookes-Röhre“ folgten später in allen Physik-Klassenzimmern demonstriert. Die Ablenkung eines Kathodenstrahls durch ein Magnetfeld in einer Crookes-Röhre wurde zu einer klassischen Schuldemonstration.
Experimente zur elektrischen Ablenkung von Kathodenstrahlen waren jedoch nicht so überzeugend. Hertz konnte eine solche Abweichung nicht feststellen und kam zu dem Schluss, dass es sich beim Kathodenstrahl um einen oszillierenden Prozess im Äther handelt. Der Hertz-Schüler F. Lenard zeigte 1893 bei Experimenten mit Kathodenstrahlen, dass diese durch ein mit Aluminiumfolie abgedecktes Fenster dringen und im Raum hinter dem Fenster ein Leuchten hervorrufen. Hertz widmete seinen letzten Artikel, der 1892 veröffentlicht wurde, dem Phänomen des Durchgangs von Kathodenstrahlen durch dünne Metallkörper. Er begann mit den Worten:
„Kathodenstrahlen unterscheiden sich erheblich vom Licht hinsichtlich ihrer Fähigkeit, feste Körper zu durchdringen.“ Hertz beschreibt die Ergebnisse von Experimenten zum Durchgang von Kathodenstrahlen durch Blätter aus Gold, Silber, Platin, Aluminium usw. und stellt fest, dass er dies getan hat Beobachten Sie keine besonderen Unterschiede in den Phänomenen. Die Strahlen gehen nicht geradlinig durch die Blätter, sondern werden durch Beugung gestreut. Die Natur der Kathodenstrahlen war noch unklar.
Mit diesen Röhren von Crookes, Lenard und anderen experimentierte der Würzburger Professor Wilhelm Conrad Röntgen Ende 1895. Einmal, am Ende des Experiments, nachdem er die Röhre mit einer schwarzen Papphülle abgedeckt hatte, schaltete er das Licht aus, aber nicht Als er jedoch den Induktor abschaltete, der die Röhre mit Strom versorgte, bemerkte er das Leuchten des Schirms aus Bariumsynoxid, der sich in der Nähe der Röhre befand. Von diesem Umstand beeindruckt, begann Röntgen mit dem Bildschirm zu experimentieren. In seinem ersten Bericht „Über eine neue Art von Strahlen“ vom 28. Dezember 1895 schrieb er über diese ersten Experimente: „Ein mit Bariumplatin-Schwefeldioxid beschichtetes Stück Papier, wenn man es einem Rohr nähert, das mit einer Hülle aus … bedeckt ist.“ dünner schwarzer Karton, der ziemlich eng anliegt, bei jeder Entladung blitzt es mit hellem Licht auf: Es beginnt zu fluoreszieren. Fluoreszenz ist bei ausreichender Abdunkelung sichtbar und hängt nicht davon ab, ob das Papier mit einer mit Bariumblauoxid beschichteten oder nicht mit Bariumblauoxid beschichteten Seite präsentiert wird. Fluoreszenz ist bereits in einer Entfernung von zwei Metern von der Röhre wahrnehmbar.“
Eine sorgfältige Untersuchung zeigte Röntgen, „dass schwarzer Karton, der weder für die sichtbaren und ultravioletten Strahlen der Sonne noch für die Strahlen eines elektrischen Lichtbogens transparent ist, von einem Stoff durchdrungen wird, der Fluoreszenz verursacht.“ Röntgen untersuchte die Durchdringungskraft dieses „Agenten, “, was er kurz „Röntgenstrahlen“ nannte, für verschiedene Stoffe. Er entdeckte, dass die Strahlen ungehindert durch Papier, Holz, Hartgummi und dünne Metallschichten dringen, aber durch Blei stark verzögert werden.
Anschließend beschreibt er das sensationelle Erlebnis:
„Wenn Sie Ihre Hand zwischen die Entladungsröhre und den Bildschirm halten, können Sie die dunklen Schatten der Knochen in den schwachen Umrissen des Schattens der Hand selbst sehen.“ Dies war die erste Durchleuchtungsuntersuchung des menschlichen Körpers. Auch Röntgenuntersuchungen wurden durchgeführt die ersten Röntgenbilder, indem er sie auf seine Hand auftrug.
Diese Bilder machten einen großen Eindruck; Die Entdeckung war noch nicht abgeschlossen und die Röntgendiagnostik hatte bereits ihre Reise begonnen. „Mein Labor wurde mit Ärzten überschwemmt, die Patienten hereinbrachten, die vermuteten, dass sie Nadeln in verschiedenen Körperteilen hatten“, schrieb der englische Physiker Schuster.
Schon nach den ersten Experimenten stellte Röntgen fest, dass Röntgenstrahlen sich von Kathodenstrahlen unterscheiden, dass sie keine Ladung tragen und nicht durch ein Magnetfeld abgelenkt werden, sondern durch Kathodenstrahlen angeregt werden.“ Röntgenstrahlen sind nicht identisch mit Kathodenstrahlen , werden aber von ihnen in den Glaswänden der Entladungsröhre angeregt“, schrieb Röntgen.
Er stellte außerdem fest, dass sie nicht nur in Glas, sondern auch in Metallen angeregt werden.
Nachdem er die Hertz-Lennard-Hypothese erwähnt hatte, dass Kathodenstrahlen „ein Phänomen sind, das im Äther auftritt“, weist Röntgen darauf hin, dass „wir etwas Ähnliches über unsere Strahlen sagen können“. Die Welleneigenschaften der Strahlen konnte er jedoch nicht entdecken; sie „verhalten sich anders als die bisher bekannten ultravioletten, sichtbaren und infraroten Strahlen“. In ihrer chemischen und lumineszierenden Wirkung ähneln sie laut Röntgen den ultravioletten Strahlen In seiner ersten Botschaft äußerte er später die Vermutung, dass es sich um Longitudinalwellen im Äther handeln könnte.
Röntgens Entdeckung erregte großes Interesse in der wissenschaftlichen Welt. Seine Experimente wurden in fast allen Labors der Welt wiederholt. In Moskau wurden sie von P.N. wiederholt. Lebedew. In St. Petersburg gründete der Radioerfinder A.S. Popov experimentierte mit Röntgenstrahlen, demonstrierte sie in öffentlichen Vorträgen und machte verschiedene Röntgenbilder. In Cambridge D.D. Thomson nutzte sofort die ionisierende Wirkung von Röntgenstrahlen, um den Durchgang von Elektrizität durch Gase zu untersuchen. Seine Forschungen führten zur Entdeckung des Elektrons.
Röntgenstrahlung ist elektromagnetische ionisierende Strahlung, die den Spektralbereich zwischen Gamma- und Ultraviolettstrahlung innerhalb der Wellenlängen von 10 -4 bis 10 3 (von 10 -12 bis 10 -5 cm) einnimmt.R. l. mit Wellenlänge λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - weich.
Die häufigste Röntgenquelle ist eine Röntgenröhre.
Röntgenröhren werden in der Röntgenstrukturanalyse eingesetzt
Die Hauptmerkmale von Röntgenröhren sind die maximal zulässige Beschleunigungsspannung (1–500 kV), der Elektronenstrom (0,01 mA – 1 A), die spezifische Verlustleistung der Anode (10–10 4 W/mm 2) und der Gesamtstromverbrauch (0,002 W – 60 kW) und Fokusgrößen (1 µm – 10 mm). Der Wirkungsgrad der Röntgenröhre beträgt 0,1-3 %.
Einige radioaktive Isotope können auch als Quellen für Röntgenstrahlung dienen.
Synchrotrons und Elektronenspeicherringe mit Energien von mehreren GeV können als Quellen weicher Röntgenstrahlung mit λ in der Größenordnung von zehn und hundert dienen. Die Intensität der Röntgenstrahlung von Synchrotrons übersteigt in diesem Bereich des Spektrums die einer Röntgenröhre um 2-3 Größenordnungen.
Natürliche Röntgenquellen sind die Sonne und andere Weltraumobjekte.
Abhängig vom Mechanismus der Röntgenstrahlenerzeugung können ihre Spektren kontinuierlich (Bremsstrahlung) oder linienförmig (charakteristisch) sein. Ein kontinuierliches Röntgenspektrum wird von schnell geladenen Teilchen aufgrund ihrer Abbremsung bei der Wechselwirkung mit Zielatomen emittiert; Dieses Spektrum erreicht nur dann eine signifikante Intensität, wenn das Ziel mit Elektronen bombardiert wird. Die Intensität der Bremsstrahlung im Röntgenbereich verteilt sich über alle Frequenzen bis zur Hochfrequenzgrenze 0, an der die Photonenenergie h 0 ist (h ist das Plancksche Wirkungsquantum).
Linienstrahlung entsteht nach der Ionisierung eines Atoms mit dem Ausstoß eines Elektrons aus einer seiner inneren Schalen. Eine solche Ionisierung kann aus der Kollision eines Atoms mit einem schnellen Teilchen wie einem Elektron (primäre Röntgenstrahlung) oder der Absorption eines Photons durch das Atom (fluoreszierende Röntgenstrahlung) resultieren. Das ionisierte Atom befindet sich im anfänglichen Quantenzustand auf einem der hohen Energieniveaus und geht nach 10 -16 -10 -15 Sekunden in den Endzustand mit niedrigerer Energie über. In diesem Fall kann das Atom überschüssige Energie in Form eines Photons einer bestimmten Frequenz abgeben. Die Frequenzen der Linien im Spektrum dieser Strahlung sind charakteristisch für die Atome jedes Elements, daher wird das Linien-Röntgenspektrum als charakteristisch bezeichnet. Die Abhängigkeit der Frequenz der Linien dieses Spektrums von der Ordnungszahl Z wird durch das Moseley-Gesetz bestimmt.
Moseleys Gesetz, ein Gesetz, das die Frequenz der Spektrallinien der charakteristischen Röntgenstrahlung eines chemischen Elements mit seiner Ordnungszahl in Beziehung setzt. Experimentell festgestellt von G. Moseley
wobei R die Rydberg-Konstante ist
Moseleys Gesetz war ein unwiderlegbarer Beweis für die korrekte Platzierung der Elemente im Periodensystem der Elemente
Gemäß dem Gesetz von Moseley zeigen charakteristische Röntgenspektren nicht die periodischen Muster, die optischen Spektren innewohnen. Dies weist darauf hin, dass die inneren Elektronenhüllen der Atome aller Elemente, die in den charakteristischen Röntgenspektren erscheinen, eine ähnliche Struktur haben.
Spätere Experimente zeigten einige Abweichungen von der linearen Abhängigkeit für Übergangsgruppen von Elementen, die mit einer Änderung der Reihenfolge der Füllung des Äußeren verbunden sind Elektronenhüllen sowie für schwere Atome, die als Ergebnis relativistischer Effekte auftreten (bedingt erklärt durch die Tatsache, dass innere Geschwindigkeiten mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind).
Abhängig von einer Reihe von Faktoren – der Anzahl der Nukleonen im Kern (isotonische Verschiebung), dem Zustand der äußeren Elektronenhüllen (chemische Verschiebung) usw. – kann sich die Position der Spektrallinien im Moseley-Diagramm geringfügig ändern. Die Untersuchung dieser Verschiebungen ermöglicht es uns, detaillierte Informationen über das Atom zu erhalten.
Von sehr dünnen Zielen emittierte Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen sind in der Nähe von 0 vollständig polarisiert; Wenn 0 abnimmt, nimmt der Grad der Polarisation ab. Charakteristische Strahlung ist in der Regel nicht polarisiert.
Wenn Röntgenstrahlen mit Materie interagieren, kann ein photoelektrischer Effekt auftreten.
Wenn Röntgenstrahlen eine Substanzschicht der Dicke x durchdringen, nimmt ihre Anfangsintensität I 0 auf den Wert I = I 0 e - μ x ab, wobei μ der Schwächungskoeffizient ist. Die Schwächung von I erfolgt durch zwei Prozesse: die Absorption von Röntgenphotonen durch Materie und eine Richtungsänderung bei der Streuung. Im langwelligen Bereich des Spektrums überwiegt die Absorption der Röntgenstrahlung, im kurzwelligen Bereich deren Streuung. Mit zunehmendem Z und λ steigt der Absorptionsgrad schnell an. Harte Röntgenstrahlen dringen beispielsweise ungehindert durch eine Luftschicht von ~ 10 cm; eine 3 cm dicke Aluminiumplatte schwächt Röntgenstrahlen mit λ = 0,027 um die Hälfte; Weiche Röntgenstrahlen werden in Luft stark absorbiert und ihre Verwendung und Forschung ist nur im Vakuum oder in einem schwach absorbierenden Gas (z. B. He) möglich. Bei der Absorption von Röntgenstrahlen werden die Atome der Substanz ionisiert.
Die Wirkung von Röntgenstrahlen auf lebende Organismen kann je nach der Ionisierung, die sie im Gewebe verursachen, vorteilhaft oder schädlich sein. Da die Absorption von Röntgenstrahlung von λ abhängt, kann ihre Intensität nicht als Maß für die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung dienen. Röntgenmessungen werden verwendet, um die Wirkung von Röntgenstrahlen auf Materie quantitativ zu messen.
Die Streuung von Röntgenstrahlen im Bereich großer Z- und λ-Strahlen erfolgt hauptsächlich ohne Änderung von λ und wird als kohärente Streuung bezeichnet. Im Bereich kleiner Z- und λ-Strahlen nimmt sie in der Regel zu (inkohärente Streuung). Es gibt zwei bekannte Arten der inkohärenten Streuung von Röntgenstrahlen – Compton und Raman. Bei der Compton-Streuung, die den Charakter einer inelastischen Korpuskularstreuung hat, fliegt aufgrund der Energie, die das Röntgenphoton teilweise verliert, ein Rückstoßelektron aus der Hülle des Atoms. In diesem Fall nimmt die Photonenenergie ab und ihre Richtung ändert sich; die Änderung von λ hängt vom Streuwinkel ab. Bei der Raman-Streuung eines hochenergetischen Röntgenphotons an einem leichten Atom wird ein kleiner Teil seiner Energie für die Ionisierung des Atoms aufgewendet und die Bewegungsrichtung des Photons ändert sich. Die Veränderung solcher Photonen hängt nicht vom Streuwinkel ab.
Der Brechungsindex n für Röntgenstrahlen unterscheidet sich von 1 um einen sehr geringen Betrag δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Die Phasengeschwindigkeit von Röntgenstrahlen in einem Medium ist größer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Ablenkung von Röntgenstrahlen beim Übergang von einem Medium in ein anderes ist sehr gering (einige Bogenminuten). Wenn Röntgenstrahlen aus einem Vakuum in einem sehr kleinen Winkel auf die Oberfläche eines Körpers fallen, werden sie von außen vollständig reflektiert.
Das menschliche Auge ist gegenüber Röntgenstrahlen unempfindlich. Röntgen
Die Strahlen werden mit einem speziellen röntgenfotografischen Film aufgezeichnet, der einen erhöhten Anteil an Ag und Br enthält. Im Bereich λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, die Empfindlichkeit eines gewöhnlichen positiven Fotofilms ist ziemlich hoch und seine Körner sind viel kleiner als die Körner von Röntgenfilmen, was die Auflösung erhöht. Bei λ in der Größenordnung von Zehnern und Hunderten wirken Röntgenstrahlen nur auf die dünnste Oberflächenschicht der Photoemulsion; Um die Empfindlichkeit des Films zu erhöhen, wird dieser mit lumineszierenden Ölen sensibilisiert. In der Röntgendiagnostik und Fehlererkennung wird teilweise die Elektrofotografie zur Aufnahme von Röntgenstrahlen eingesetzt.
Röntgenstrahlen hoher Intensität können mit einer Ionisationskammer aufgezeichnet werden
Röntgenstrahlen werden in der Medizin am häufigsten zur Röntgendiagnostik eingesetzt.
Röntgenstrukturanalyse
Röntgenmikroskopie
Aus dem Weltraum kommende Röntgenstrahlen enthalten Informationen über die chemische Zusammensetzung kosmischer Körper und die im Weltraum ablaufenden physikalischen Prozesse. Die Röntgenastronomie untersucht kosmische Röntgenstrahlung.
Eine der Hauptaufgaben der Röntgenbeugungsanalyse besteht darin, die Material- oder Phasenzusammensetzung eines Materials zu bestimmen. Die Röntgenbeugungsmethode ist direkt und zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, Schnelligkeit und relative Kostengünstigkeit aus. Die Methode erfordert nicht große Menge Substanzen kann die Analyse ohne Zerstörung des Teils durchgeführt werden. Die Einsatzgebiete der qualitativen Phasenanalyse sind sehr vielfältig, sowohl für die Forschung als auch für die Kontrolle in der Produktion. Sie können die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe der metallurgischen Produktion, Syntheseprodukte, Verarbeitung, das Ergebnis von Phasenänderungen bei thermischer und chemisch-thermischer Behandlung überprüfen, verschiedene Beschichtungen, dünne Filme usw. analysieren.
Jede Phase mit ihrer eigenen Kristallstruktur ist durch einen bestimmten Satz diskreter Werte der interplanaren Abstände d/n gekennzeichnet, die nur dieser Phase vom Maximum und darunter innewohnen. Wie aus der Wulff-Bragg-Gleichung hervorgeht, entspricht jeder Wert des interplanaren Abstands einer Linie im Röntgenbeugungsmuster einer polykristallinen Probe in einem bestimmten Winkel θ (für eine gegebene Wellenlänge λ). Somit entspricht ein bestimmter Satz interplanarer Abstände für jede Phase im Röntgenbeugungsmuster einem bestimmten Liniensystem (Beugungsmaxima). Die relative Intensität dieser Linien im Röntgenbeugungsmuster hängt hauptsächlich von der Struktur der Phase ab. Daher können wir durch die Bestimmung der Position der Linien auf dem Röntgenbild (ihren Winkel θ) und die Kenntnis der Wellenlänge der Strahlung, bei der das Röntgenbild aufgenommen wurde, die Werte der interplanaren Abstände d/ bestimmen. n unter Verwendung der Wulff-Bragg-Formel:
/n = λ/ (2sin θ). (1)
Durch die Bestimmung eines Satzes d/n für das untersuchte Material und den Vergleich mit zuvor bekannten d/n-Daten für reine Substanzen und ihre verschiedenen Verbindungen ist es möglich zu bestimmen, aus welcher Phase das gegebene Material besteht. Es sollte betont werden, dass die Phasen bestimmt werden und nicht die chemische Zusammensetzung. Letztere kann jedoch manchmal abgeleitet werden, wenn zusätzliche Daten zur Elementzusammensetzung einer bestimmten Phase vorliegen. Die Aufgabe der qualitativen Phasenanalyse wird erheblich vereinfacht, wenn die chemische Zusammensetzung des untersuchten Materials bekannt ist, da dann vorläufige Annahmen über die möglichen Phasen im Einzelfall getroffen werden können.
Das Wichtigste bei der Phasenanalyse ist die genaue Messung von d/n und Linienintensität. Obwohl dies im Prinzip mit einem Diffraktometer einfacher zu erreichen ist, hat die Photomethode für die qualitative Analyse einige Vorteile, vor allem im Hinblick auf die Empfindlichkeit (die Fähigkeit, das Vorhandensein einer kleinen Phase in einer Probe nachzuweisen) sowie die Einfachheit der Methode experimentelle Technik.
Die Berechnung von d/n aus einem Röntgenbeugungsmuster erfolgt mithilfe der Wulff-Bragg-Gleichung.
Der Wert von λ in dieser Gleichung wird üblicherweise als λ α avg K-Serie verwendet:
λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Manchmal wird die Linie K α1 verwendet. Durch die Bestimmung der Beugungswinkel θ für alle Linien von Röntgenfotos können Sie d/n mithilfe von Gleichung (1) berechnen und β-Linien trennen (wenn es keinen Filter für (β-Strahlen) gab).
Alle echten einkristallinen und insbesondere polykristallinen Materialien enthalten bestimmte Strukturfehler (Punktdefekte, Versetzungen, verschiedene Arten von Grenzflächen, Mikro- und Makrospannungen), die einen sehr starken Einfluss auf alle strukturempfindlichen Eigenschaften und Prozesse haben.
Strukturelle Unvollkommenheiten führen zu Störungen des Kristallgitters unterschiedlicher Art und in der Folge zu unterschiedlichen Veränderungen des Beugungsmusters: Änderungen der interatomaren und interplanaren Abstände führen zu einer Verschiebung der Beugungsmaxima, Mikrospannungen und Substrukturdispersion führen zu einer Verbreiterung der Beugungsmaxima. Gittermikroverzerrungen führen zu Intensitätsänderungen dieser Maxima, das Vorhandensein von Versetzungen verursacht anomale Phänomene beim Durchgang von Röntgenstrahlen und folglich lokale Inhomogenitäten im Kontrast auf Röntgentopogrammen usw.
Daher ist die Röntgenbeugungsanalyse eine der aussagekräftigsten Methoden zur Untersuchung struktureller Mängel, ihrer Art und Konzentration sowie der Art der Verteilung.
Die traditionelle direkte Methode der Röntgenbeugung, die aufgrund ihrer Konstruktionsmerkmale auf stationären Diffraktometern eingesetzt wird, ermöglicht die quantitative Bestimmung von Spannungen und Dehnungen nur an kleinen Proben, die aus Teilen oder Objekten geschnitten wurden.
Daher findet derzeit ein Übergang von stationären zu tragbaren kleinen Röntgendiffraktometern statt, die eine zerstörungsfreie Beurteilung von Spannungen im Material von Teilen oder Objekten in den Phasen ihrer Herstellung und ihres Betriebs ermöglichen.
Mit tragbaren Röntgendiffraktometern der DRP*1-Serie können Sie Rest- und Wirkspannungen in großen Teilen, Produkten und Strukturen zerstörungsfrei überwachen
Das Programm in der Windows-Umgebung ermöglicht nicht nur die Ermittlung von Spannungen mit der „sin 2 ψ“-Methode in Echtzeit, sondern auch die Überwachung von Änderungen in der Phasenzusammensetzung und Textur. Der lineare Koordinatendetektor ermöglicht eine gleichzeitige Registrierung bei Beugungswinkeln von 2θ = 43°. Kleine Röntgenröhren vom Typ „Fox“ mit hoher Leuchtkraft und geringer Leistung (5 W) gewährleisten die radiologische Sicherheit des Gerätes, bei dem in einem Abstand von 25 cm vom bestrahlten Bereich der Strahlungspegel gleich ist natürliche Hintergrundebene. Geräte der DRP-Serie werden zur Bestimmung der Spannungen in verschiedenen Phasen der Metallumformung, beim Schneiden, Schleifen, Wärmebehandeln, Schweißen und Oberflächenhärten eingesetzt, um diese technologischen Vorgänge zu optimieren. Durch die Überwachung des Abfalls der induzierten Druckeigenspannungen in besonders kritischen Produkten und Strukturen während ihres Betriebs kann das Produkt vor seiner Zerstörung außer Betrieb genommen werden, wodurch mögliche Unfälle und Katastrophen verhindert werden.
Zusammen mit der Bestimmung der atomaren Kristallstruktur und Phasenzusammensetzung des Materials für seine volle Eigenschaften Es ist zwingend erforderlich, seine chemische Zusammensetzung zu bestimmen.
In der Praxis werden für diese Zwecke zunehmend verschiedene sogenannte instrumentelle Methoden der Spektralanalyse eingesetzt. Jeder von ihnen hat seine eigenen Vorteile und Anwendungen.
Eine der wichtigen Anforderungen besteht in vielen Fällen darin, dass die verwendete Methode die Sicherheit des analysierten Objekts gewährleistet; Genau diese Analysemethoden werden in diesem Abschnitt besprochen. Das nächste Kriterium, nach dem die in diesem Abschnitt beschriebenen Analysemethoden ausgewählt wurden, ist ihre Lokalität.
Die Methode der Fluoreszenz-Röntgenspektralanalyse basiert auf dem Eindringen ziemlich harter Röntgenstrahlung (aus einer Röntgenröhre) in das analysierte Objekt und dringt in eine Schicht mit einer Dicke von etwa mehreren Mikrometern ein. Die charakteristische Röntgenstrahlung, die im Objekt auftritt, ermöglicht es, gemittelte Daten über seine chemische Zusammensetzung zu erhalten.
Um die elementare Zusammensetzung eines Stoffes zu bestimmen, können Sie die Analyse des Spektrums der charakteristischen Röntgenstrahlung einer Probe verwenden, die auf der Anode einer Röntgenröhre platziert und einem Elektronenbeschuss ausgesetzt ist – die Emissionsmethode oder Analyse der Spektrum der sekundären (fluoreszierenden) Röntgenstrahlung einer Probe, die mit harten Röntgenstrahlen aus einer Röntgenröhre oder einer anderen Quelle bestrahlt wird – Fluoreszenzmethode.
Der Nachteil des Emissionsverfahrens besteht zum einen darin, dass die Probe auf die Anode der Röntgenröhre gelegt und anschließend mit Vakuumpumpen abgepumpt werden muss; Offensichtlich ist diese Methode für schmelzbare und flüchtige Stoffe ungeeignet. Der zweite Nachteil hängt mit der Tatsache zusammen, dass selbst feuerfeste Gegenstände durch Elektronenbeschuss beschädigt werden. Die Fluoreszenzmethode weist diese Nachteile nicht auf und hat daher eine viel breitere Anwendung. Der Vorteil der Fluoreszenzmethode ist auch die Abwesenheit von Bremsstrahlung, was die Empfindlichkeit der Analyse verbessert. Der Vergleich der gemessenen Wellenlängen mit Tabellen der Spektrallinien chemischer Elemente bildet die Grundlage der qualitativen Analyse, und die relativen Werte der Intensitäten der Spektrallinien verschiedener Elemente, die die Probensubstanz bilden, bilden die Grundlage der quantitativen Analyse. Aus einer Untersuchung des Mechanismus der Anregung charakteristischer Röntgenstrahlung geht hervor, dass Strahlung der einen oder anderen Serie (K oder L, M usw.) gleichzeitig auftritt und die Verhältnisse der Linienintensitäten innerhalb der Serie immer konstant sind . Daher wird das Vorhandensein des einen oder anderen Elements nicht durch einzelne Zeilen, sondern durch eine Reihe von Zeilen als Ganzes festgestellt (mit Ausnahme der schwächsten, unter Berücksichtigung des Inhalts eines bestimmten Elements). Für relativ leichte Elemente wird die Analyse von Linien der K-Serie verwendet, für schwere Elemente - Linien der L-Serie; Unter unterschiedlichen Bedingungen (abhängig von der verwendeten Ausrüstung und den zu analysierenden Elementen) können unterschiedliche Bereiche des charakteristischen Spektrums am geeignetsten sein.
Die Hauptmerkmale der Röntgenspektralanalyse sind wie folgt.
Die Einfachheit der röntgencharakteristischen Spektren auch für schwere Elemente (im Vergleich zu optischen Spektren), was die Analyse vereinfacht (geringe Anzahl von Linien; Ähnlichkeit in ihrer relativen Anordnung; mit zunehmender Ordnungszahl kommt es zu einer natürlichen Verschiebung des Spektrums zum Kurzwellenbereich, vergleichsweise einfache quantitative Analyse).
Unabhängigkeit der Wellenlängen vom Zustand der Atome des zu analysierenden Elements (frei oder in einer chemischen Verbindung). Dies liegt daran, dass das Auftreten charakteristischer Röntgenstrahlung mit der Anregung interner elektronischer Niveaus verbunden ist, die sich in den meisten Fällen je nach Ionisierungsgrad der Atome praktisch nicht ändern.
Die Fähigkeit, bei der Analyse seltene Erden und einige andere Elemente zu trennen, die aufgrund der Ähnlichkeit der elektronischen Struktur der Außenhüllen geringe Unterschiede in den Spektren im optischen Bereich aufweisen und sich in ihren chemischen Eigenschaften kaum unterscheiden.
Die Methode der Röntgenfluoreszenzspektroskopie ist „zerstörungsfrei“ und bietet daher bei der Analyse dünner Proben – dünne Metallbleche, Folien usw. – einen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Methode der optischen Spektroskopie.
Besonders häufig werden Röntgenfluoreszenzspektrometer in metallurgischen Unternehmen eingesetzt, darunter Mehrkanalspektrometer oder Quantometer, die eine schnelle quantitative Analyse von Elementen (von Na oder Mg bis U) mit einem Fehler von weniger als 1 % des ermittelten Wertes, einer Empfindlichkeitsschwelle, ermöglichen von 10 -3 ... 10 -4 % .
Röntgenstrahl
Methoden zur Bestimmung der spektralen Zusammensetzung von Röntgenstrahlung
Spektrometer werden in zwei Typen unterteilt: Kristallbeugungs- und kristallfreie Spektrometer.
Die Zerlegung von Röntgenstrahlen in ein Spektrum mithilfe eines natürlichen Beugungsgitters – eines Kristalls – ähnelt im Wesentlichen der Gewinnung des Spektrums gewöhnlicher Lichtstrahlen mithilfe eines künstlichen Beugungsgitters in Form periodischer Linien auf Glas. Die Bedingung für die Bildung eines Beugungsmaximums kann als Bedingung der „Reflexion“ an einem System paralleler Atomebenen geschrieben werden, die durch einen Abstand d hkl getrennt sind.
Bei der Durchführung einer qualitativen Analyse kann man das Vorhandensein eines bestimmten Elements in einer Probe anhand einer Linie beurteilen – normalerweise der intensivsten Linie der Spektralreihe, die für einen bestimmten Kristallanalysator geeignet ist. Die Auflösung von Kristallbeugungsspektrometern reicht aus, um die charakteristischen Linien gerader, im Periodensystem benachbarter Elemente zu trennen. Wir müssen jedoch auch die Überlappung verschiedener Linien verschiedener Elemente sowie die Überlappung von Reflexionen berücksichtigen andere Reihenfolge. Dieser Umstand muss bei der Auswahl analytischer Linien berücksichtigt werden. Gleichzeitig ist es notwendig, die Möglichkeiten zur Verbesserung der Auflösung des Gerätes zu nutzen.
Röntgenstrahlen sind also unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 5 – 10 2 nm. Röntgenstrahlen können einige Materialien durchdringen, die für sichtbares Licht undurchlässig sind. Sie werden beim Abbremsen schneller Elektronen in einem Stoff (kontinuierliches Spektrum) und beim Übergang von Elektronen von den äußeren Elektronenhüllen eines Atoms in die inneren (Linienspektrum) emittiert. Quellen für Röntgenstrahlung sind: eine Röntgenröhre, einige radioaktive Isotope, Beschleuniger und Elektronenspeicher (Synchrotronstrahlung). Empfänger - Fotofilm, Leuchtschirme, Detektoren für nukleare Strahlung. Röntgenstrahlen werden in der Röntgenbeugungsanalyse, der Medizin, der Fehlererkennung, der Röntgenspektralanalyse usw. verwendet.
Nachdem man die positiven Aspekte der Entdeckung von V. Röntgen berücksichtigt hat, ist es notwendig, ihre schädliche biologische Wirkung zu beachten. Es stellte sich heraus, dass Röntgenstrahlung so etwas wie einen schweren Sonnenbrand (Erythem) verursachen kann, allerdings mit tieferen und dauerhafteren Schäden an der Haut einhergeht. Die auftretenden Geschwüre entwickeln sich häufig zu Krebs. In vielen Fällen mussten Finger oder Hände amputiert werden. Es gab auch Todesfälle.
Es wurde festgestellt, dass Hautschäden vermieden werden können, indem die Expositionszeit und -dosis reduziert und Abschirmungen (z. B. Blei) und Fernbedienungen verwendet werden. Doch nach und nach zeigten sich auch andere, längerfristige Folgen der Röntgenbestrahlung, die dann bestätigt und an Versuchstieren untersucht wurden. Zu den durch Röntgenstrahlen und andere ionisierende Strahlung (z. B. von radioaktiven Stoffen emittierte Gammastrahlung) verursachten Auswirkungen gehören:
) vorübergehende Veränderungen der Blutzusammensetzung nach relativ geringer überschüssiger Strahlung;
) irreversible Veränderungen der Blutzusammensetzung (hämolytische Anämie) nach längerer übermäßiger Strahlung;
) erhöhte Inzidenz von Krebserkrankungen (einschließlich Leukämie);
) schnelleres Altern und früherer Tod;
) das Auftreten von Katarakten.
Die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper wird durch die Höhe der Strahlendosis sowie durch die Art und Weise bestimmt, welches Körperorgan der Strahlung ausgesetzt war.
Die Anhäufung von Erkenntnissen über die Auswirkungen von Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper hat zur Entwicklung nationaler und internationaler Standards für zulässige Strahlendosen geführt, die in verschiedenen Referenzpublikationen veröffentlicht wurden.
Um die schädlichen Auswirkungen von Röntgenstrahlung zu vermeiden, werden Kontrollmethoden eingesetzt:
) Verfügbarkeit angemessener Ausrüstung,
) Überwachung der Einhaltung der Sicherheitsvorschriften,
) korrekte Verwendung der Ausrüstung.
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) Mirkin L.I., Handbook on X-ray structure Analysis of polycrystals, M., 1961;
) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Reference tables for X-ray spectroscopy, M., 1953.
) Röntgen- und elektronenoptische Analyse. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Lehrbuch. Ein Handbuch für Universitäten. - 4. Aufl. Hinzufügen. Und überarbeitet. - M.: "MISiS", 2002. - 360 S.
Anhang 1
Gesamtansicht von Röntgenröhren
Anlage 2
Röntgenröhrendiagramm zur Strukturanalyse
Diagramm einer Röntgenröhre für die Strukturanalyse: 1 - Anodenbecher aus Metall (normalerweise geerdet); 2 - Berylliumfenster zur Röntgenemission; 3 - thermionische Kathode; 4 - Glaskolben, der den Anodenteil der Röhre von der Kathode isoliert; 5 - Kathodenanschlüsse, an die die Filamentspannung sowie eine hohe (relativ zur Anode) Spannung angelegt werden; 6 - elektrostatisches Elektronenfokussierungssystem; 7 - Anode (Antikathode); 8 - Rohre für den Einlass und Auslass des fließenden Wassers, das den Anodenbecher kühlt.
Anhang 3
Moseley-Diagramm
Moseley-Diagramm für K-, L- und M-Reihe charakteristischer Röntgenstrahlung. Die Abszissenachse zeigt die Seriennummer des Elements Z und die Ordinatenachse zeigt ( Mit- Lichtgeschwindigkeit).
Anhang 4
Ionisationskammer.
Abb.1. Querschnitt einer zylindrischen Ionisationskammer: 1 – zylindrischer Kammerkörper, der als negative Elektrode dient; 2 - zylindrischer Stab, der als positive Elektrode dient; 3 - Isolatoren.
Reis. 2. Schaltplan zum Einschalten einer Stromionisationskammer: V – Spannung an den Kammerelektroden; G – Galvanometer zur Messung des Ionisationsstroms.
Reis. 3. Strom-Spannungs-Kennlinien der Ionisationskammer.
Reis. 4. Anschlussplan der Impulsionisationskammer: C – Kapazität der Sammelelektrode; R – Widerstand.
Anhang 5
Szintillationszähler.
Szintillationszählerschaltung: Lichtquanten (Photonen) „schlagen“ Elektronen aus der Photokathode heraus; Wenn man sich von Dynode zu Dynode bewegt, vervielfacht sich die Elektronenlawine.
Anhang 6
Geiger-Müller-Zähler.
Reis. 1. Diagramm eines Geiger-Müller-Zählers aus Glas: 1 - hermetisch verschlossene Glasröhre; 2 - Kathode (eine dünne Kupferschicht auf einem Edelstahlrohr); 3 - Kathodenausgang; 4 - Anode (dünner gedehnter Faden).
Reis. 2. Schaltplan zum Anschluss eines Geiger-Müller-Zählers.
Reis. 3. Zähleigenschaften eines Geiger-Müller-Zählers.
Anhang 7
Proportionalzähler.
Schema eines Proportionalzählers: a - Elektronendriftbereich; b – Bereich der Gasverstärkung.
Anhang 8
Halbleiterdetektoren
Halbleiterdetektoren; Der sensible Bereich wird durch eine Schattierung hervorgehoben; n – Bereich des Halbleiters mit elektronischer Leitfähigkeit, p – mit Lochleitfähigkeit, i – mit intrinsischer Leitfähigkeit; a - Silizium-Oberflächenbarrieredetektor; b – Drift-Germanium-Lithium-Planardetektor; c – Germanium-Lithium-Koaxialdetektor.
