RADIOGRAFÍA
radiación de rayos x Ocupa la región del espectro electromagnético entre la radiación gamma y ultravioleta y es una radiación electromagnética con una longitud de onda de 10 -14 a 10 -7 m. En medicina, radiación de rayos X con una longitud de onda de 5 x 10 -12 a 2,5 x 10 - Se utilizan 10 m, es decir, 0,05 - 2,5 angstroms, y para el diagnóstico por rayos X, 0,1 angstroms. La radiación es una corriente de cuantos (fotones) que se propaga linealmente a la velocidad de la luz (300.000 km/s). Estos cuantos no tienen carga eléctrica. La masa de un cuanto es una parte insignificante de una unidad de masa atómica.
Energía de cuantos Se mide en julios (J), pero en la práctica suelen utilizar una unidad no sistémica. "electrón-voltio" (eV) . Un electrón voltio es la energía que adquiere un electrón al atravesar una diferencia de potencial de 1 voltio en un campo eléctrico. 1 eV = 1,6 10~ 19 J. Las derivadas son el kiloelectrón-voltio (keV), igual a mil eV, y el megaelectrón-voltio (MeV), igual a un millón de eV.
Los rayos X se producen mediante tubos de rayos X, aceleradores lineales y betatrones. En un tubo de rayos X, la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo objetivo (decenas de kilovoltios) acelera los electrones que bombardean el ánodo. La radiación de rayos X se produce cuando los electrones rápidos se desaceleran en el campo eléctrico de los átomos de la sustancia anódica. (bremsstrahlung) o durante la reestructuración de las capas internas de los átomos. (radiación característica) . Radiación de rayos X característica tiene una naturaleza discreta y ocurre cuando los electrones de los átomos de la sustancia anódica se transfieren de un nivel de energía a otro bajo la influencia de electrones externos o cuantos de radiación. Rayos X Bremsstrahlung tiene un espectro continuo que depende del voltaje del ánodo en el tubo de rayos X. Al frenar en la sustancia anódica, los electrones gastan la mayor parte de su energía en calentar el ánodo (99%) y sólo una pequeña fracción (1%) se convierte en energía de rayos X. En el diagnóstico por rayos X, la radiación de bremsstrahlung se utiliza con mayor frecuencia.
Las propiedades básicas de los rayos X son características de toda radiación electromagnética, pero existen algunas características especiales. Los rayos X tienen las siguientes propiedades:
- invisibilidad - las células sensibles de la retina humana no reaccionan a los rayos X, ya que su longitud de onda es miles de veces más corta que la de la luz visible;
- propagación recta – los rayos se refractan, se polarizan (se propagan en un determinado plano) y se difractan, como la luz visible. El índice de refracción difiere muy poco de la unidad;
- poder de penetración - penetrar sin absorción significativa a través de capas significativas de sustancias opacas a la luz visible. Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es el poder de penetración de los rayos X;
- capacidad de absorción - tienen la capacidad de ser absorbidos por los tejidos del cuerpo; en esto se basan todos los diagnósticos radiológicos. La capacidad de absorción depende del peso específico del tejido (cuanto mayor, mayor será la absorción); del grosor del objeto; sobre la dureza de la radiación;
- acción fotográfica - descomponer los compuestos de haluros de plata, incluidos los que se encuentran en las emulsiones fotográficas, lo que permite obtener imágenes de rayos X;
- efecto luminiscente - provocan la luminiscencia de una serie de compuestos químicos (luminóforos), en esto se basa la técnica de transiluminación de rayos X. La intensidad del resplandor depende de la estructura de la sustancia fluorescente, su cantidad y la distancia a la fuente de rayos X. Los fósforos se utilizan no solo para obtener imágenes de los objetos en estudio en una pantalla fluoroscópica, sino también en radiografía, donde permiten aumentar la exposición a la radiación de la película radiográfica en el casete mediante el uso de pantallas intensificadoras, la capa superficial. que esté compuesto de sustancias fluorescentes;
- efecto de ionización - tienen la capacidad de provocar la desintegración de átomos neutros en partículas cargadas positiva y negativamente, en esto se basa la dosimetría. El efecto de la ionización de cualquier medio es la formación en él de iones positivos y negativos, así como de electrones libres de átomos y moléculas neutros de una sustancia. La ionización del aire en la sala de rayos X durante el funcionamiento del tubo de rayos X provoca un aumento de la conductividad eléctrica del aire y un aumento de las cargas eléctricas estáticas en los objetos del gabinete. Para eliminar tales efectos indeseables, se proporciona ventilación forzada y extracción en las salas de rayos X;
- efecto biológico - tener un impacto sobre objetos biológicos, en la mayoría de los casos este impacto es dañino;
- ley del cuadrado inverso - para una fuente puntual de radiación de rayos X, la intensidad disminuye en proporción al cuadrado de la distancia a la fuente.
La medicina moderna utiliza muchos médicos para el diagnóstico y la terapia. Algunos de ellos se han utilizado hace relativamente poco tiempo, mientras que otros se han practicado durante decenas o incluso cientos de años. Además, hace ciento diez años, William Conrad Roentgen descubrió unos rayos X sorprendentes, que causaron una resonancia significativa en el mundo científico y médico. Y ahora los médicos de todo el mundo los utilizan en su práctica. El tema de nuestra conversación de hoy serán los rayos X en medicina, discutiremos su uso con un poco más de detalle.
Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética. Se caracterizan por importantes cualidades de penetración, que dependen de la longitud de onda de la radiación, así como de la densidad y el espesor de los materiales irradiados. Además, los rayos X pueden hacer brillar varias sustancias, influir en los organismos vivos, ionizar átomos y también catalizar algunas reacciones fotoquímicas.
Aplicación de los rayos X en medicina.
Hoy en día, las propiedades de los rayos X permiten que se utilicen ampliamente en el diagnóstico y la terapia con rayos X.
Diagnóstico por rayos X
El diagnóstico por rayos X se utiliza al realizar:
Rayos X (radioscopia);
- radiografía (imagen);
- fluorografía;
- Radiografías y tomografía computarizada.
radiografía
Para realizar dicho estudio, el paciente debe colocarse entre el tubo de rayos X y una pantalla fluorescente especial. Un radiólogo especialista selecciona la rigidez requerida de los rayos X, obteniendo en la pantalla una imagen de los órganos internos, así como de las costillas.
Radiografía
Para realizar este estudio, se coloca al paciente sobre un casete que contiene una película fotográfica especial. La máquina de rayos X se coloca directamente encima del objeto. Como resultado, aparece en la película una imagen negativa de los órganos internos, que contiene una serie de pequeños detalles, más detallados que durante un examen fluoroscópico.
Fluorografía
Este estudio se lleva a cabo durante exámenes médicos masivos de la población, incluso para detectar tuberculosis. En este caso, se proyecta una imagen de una pantalla grande sobre una película especial.
Tomografía
Al realizar una tomografía, los haces de computadora ayudan a obtener imágenes de órganos en varios lugares a la vez: en secciones transversales de tejido especialmente seleccionadas. Esta serie de radiografías se llama tomografía.
tomograma computarizado
Este estudio le permite registrar secciones del cuerpo humano utilizando un escáner de rayos X. Luego, los datos se ingresan en una computadora, lo que da como resultado una imagen transversal.
Cada uno de los métodos de diagnóstico enumerados se basa en las propiedades de un haz de rayos X para iluminar una película fotográfica, así como en el hecho de que los tejidos y huesos humanos tienen diferente permeabilidad a sus efectos.
terapia de rayos x
La capacidad de los rayos X para influir. de una manera especial en tejido se utiliza para el tratamiento de formaciones tumorales. Además, las cualidades ionizantes de esta radiación se notan especialmente cuando afectan a células que son capaces de dividirse rápidamente. Son precisamente estas cualidades las que distinguen a las células de formaciones oncológicas malignas.
Sin embargo, vale la pena señalar que la terapia con rayos X puede causar muchos problemas graves. efectos secundarios. Este efecto tiene un efecto agresivo sobre el estado de los sistemas hematopoyético, endocrino e inmunológico, cuyas células también se dividen muy rápidamente. Una influencia agresiva sobre ellos puede provocar signos de enfermedad por radiación.
El efecto de la radiación de rayos X en los humanos.
Al estudiar los rayos X, los médicos descubrieron que pueden provocar cambios en la piel que se asemejan a una quemadura solar, pero que van acompañados de daños más profundos en la piel. Estas ulceraciones tardan mucho en sanar. Los científicos han descubierto que este tipo de lesiones se pueden evitar reduciendo el tiempo y la dosis de radiación, así como utilizando blindajes especiales y métodos de control remoto.
Los efectos agresivos de los rayos X también pueden manifestarse a largo plazo: cambios temporales o permanentes en la composición de la sangre, susceptibilidad a la leucemia y envejecimiento prematuro.
El efecto de los rayos X en una persona depende de muchos factores: qué órgano se irradia y durante cuánto tiempo. La irradiación de los órganos hematopoyéticos puede provocar enfermedades de la sangre y la exposición de los genitales puede provocar infertilidad.
La irradiación sistemática conlleva el desarrollo de cambios genéticos en el cuerpo.
El verdadero daño de los rayos X en el diagnóstico por rayos X.
Al realizar un examen, los médicos utilizan la mínima cantidad posible de radiografías. Todas las dosis de radiación cumplen con ciertos estándares aceptables y no pueden dañar a una persona. Los diagnósticos por rayos X representan un peligro importante sólo para los médicos que los realizan. Además, los modernos métodos de protección ayudan a reducir al mínimo la agresión de los rayos.
Los métodos más seguros de diagnóstico por rayos X incluyen la radiografía de las extremidades, así como las radiografías dentales. El siguiente lugar en este ranking es la mamografía, seguida de la tomografía computarizada y luego la radiografía.
Para que el uso de rayos X en medicina solo brinde beneficios a los humanos, es necesario realizar investigaciones con su ayuda solo cuando esté indicado.
Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética de alta energía. Se utiliza activamente en diversas ramas de la medicina.
Los rayos X son ondas electromagnéticas cuya energía fotónica en la escala de ondas electromagnéticas se encuentra entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma (de ~10 eV a ~1 MeV), que corresponde a longitudes de onda de ~10^3 a ~10^−2 angstroms (de ~10^-7 a ~10^-12 m). Es decir, se trata de una radiación incomparablemente más dura que la luz visible, que se encuentra en esta escala entre los rayos ultravioleta y los infrarrojos ("térmicos").
El límite entre los rayos X y la radiación gamma se distingue condicionalmente: sus rangos se cruzan, los rayos gamma pueden tener una energía de 1 keV. Se diferencian en su origen: los rayos gamma se emiten durante procesos que ocurren en los núcleos atómicos, mientras que los rayos X se emiten durante procesos que involucran electrones (tanto libres como aquellos ubicados en las capas electrónicas de los átomos). Al mismo tiempo, es imposible determinar a partir del propio fotón durante qué proceso surgió, es decir, la división en los rangos de rayos X y gamma es en gran medida arbitraria.
El rango de rayos X se divide en “rayos X blandos” y “duros”. El límite entre ellos se encuentra en una longitud de onda de 2 angstroms y 6 keV de energía.
Un generador de rayos X es un tubo en el que se crea un vacío. Allí se encuentran electrodos: un cátodo al que se aplica una carga negativa y un ánodo cargado positivamente. El voltaje entre ellos es de decenas a cientos de kilovoltios. La generación de fotones de rayos X se produce cuando los electrones se “desprenden” del cátodo y chocan contra la superficie del ánodo a gran velocidad. La radiación de rayos X resultante se llama “bremsstrahlung”; sus fotones tienen diferentes longitudes de onda.
Al mismo tiempo se generan fotones del espectro característico. Algunos de los electrones de los átomos de la sustancia anódica se excitan, es decir, se mueven a órbitas más altas y luego regresan a su estado normal, emitiendo fotones de una determinada longitud de onda. En un generador estándar se producen ambos tipos de radiación de rayos X.
El 8 de noviembre de 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen descubrió que ciertas sustancias comenzaban a brillar cuando se exponían a “rayos catódicos”, es decir, una corriente de electrones generada por un tubo de rayos catódicos. Explicó este fenómeno por la influencia de ciertos rayos X; así se llama ahora a esta radiación en muchos idiomas. Más tarde V.K. Roentgen estudió el fenómeno que descubrió. El 22 de diciembre de 1895 presentó un informe sobre este tema en la Universidad de Würzburg.
Más tarde resultó que la radiación de rayos X se había observado antes, pero luego no se le dio mucha importancia a los fenómenos asociados con ella. El tubo de rayos catódicos se inventó hace mucho tiempo, pero antes de que V.K. Nadie prestó mucha atención a las radiografías sobre el ennegrecimiento de las placas fotográficas cercanas, etc. fenómenos. Tampoco se conocía el peligro que representaba la radiación penetrante.
Los “rayos X” son el tipo más leve de radiación penetrante. La exposición excesiva a los rayos X suaves se asemeja a los efectos de la radiación ultravioleta, pero en una forma más grave. Se forma una quemadura en la piel, pero el daño es más profundo y sana mucho más lentamente.
La radiografía dura es una radiación ionizante en toda regla que puede provocar enfermedades por radiación. Los cuantos de rayos X pueden romper las moléculas de proteínas que forman los tejidos del cuerpo humano, así como las moléculas de ADN del genoma. Pero incluso si el cuanto de rayos X descompone una molécula de agua, no importa: en este caso se forman radicales libres químicamente activos H y OH, que son capaces de afectar a las proteínas y al ADN. La enfermedad por radiación se presenta en una forma más grave cuanto más afectados se ven los órganos hematopoyéticos.
Los rayos X tienen actividad mutagénica y cancerígena. Esto significa que aumenta la probabilidad de que se produzcan mutaciones espontáneas en las células durante la irradiación y, a veces, las células sanas pueden degenerar en cancerosas. Una mayor probabilidad de desarrollar tumores malignos es una consecuencia estándar de cualquier exposición a la radiación, incluidos los rayos X. Los rayos X son el tipo de radiación penetrante menos peligrosa, pero aun así pueden ser peligrosos.
La radiación de rayos X se utiliza en medicina, así como en otras áreas de la actividad humana.
El uso más común de los rayos X es la fluoroscopia. Las "radiografías" del cuerpo humano le permiten obtener una imagen detallada de ambos huesos (son visibles con mayor claridad) e imágenes de los órganos internos.
La diferente transparencia de los tejidos corporales en los rayos X está asociada a su composición química. Las características estructurales de los huesos son que contienen mucho calcio y fósforo. Otros tejidos se componen principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Un átomo de fósforo pesa casi el doble que un átomo de oxígeno y un átomo de calcio 2,5 veces (el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno son incluso más ligeros que el oxígeno). En este sentido, la absorción de fotones de rayos X en los huesos es mucho mayor.
Además de las "imágenes" bidimensionales, la radiografía permite crear una imagen tridimensional de un órgano: este tipo de radiografía se llama tomografía computarizada. Para estos fines se utilizan rayos X suaves. La cantidad de radiación recibida de una imagen es pequeña: es aproximadamente igual a la radiación recibida durante un vuelo de dos horas en un avión a una altitud de 10 km.
La detección de defectos por rayos X le permite detectar defectos internos menores en los productos. Utiliza rayos X duros, ya que muchos materiales (el metal, por ejemplo) son poco “transparentes” debido a la elevada masa atómica de su sustancia constituyente.
Los rayos X tienen propiedades que les permiten examinar átomos individuales en detalle. El análisis de difracción de rayos X se utiliza activamente en química (incluida la bioquímica) y cristalografía. El principio de su funcionamiento es la dispersión por difracción de rayos X sobre átomos de cristales o moléculas complejas. Mediante análisis de difracción de rayos X, se determinó la estructura de la molécula de ADN.
El análisis de fluorescencia de rayos X le permite determinar rápidamente composición química sustancias.
Existen muchas formas de radioterapia, pero todas implican el uso de radiación ionizante. La radioterapia se divide en 2 tipos: corpuscular y ondulatoria. Corpuscular utiliza flujos de partículas alfa (núcleos de átomos de helio), partículas beta (electrones), neutrones, protones e iones pesados. Wave utiliza rayos del espectro electromagnético: rayos X y gamma.
Los métodos de radioterapia se utilizan principalmente para el tratamiento del cáncer. El hecho es que la radiación afecta principalmente a las células que se dividen activamente, razón por la cual los órganos hematopoyéticos sufren tanto (sus células se dividen constantemente, produciendo cada vez más glóbulos rojos nuevos). Las células cancerosas también se dividen constantemente y son más vulnerables a la radiación que el tejido sano.
Se utiliza un nivel de radiación que suprime la actividad de las células cancerosas y al mismo tiempo tiene un efecto moderado en las células sanas. Bajo la influencia de la radiación, no se produce la destrucción de las células como tales, sino el daño a su genoma: las moléculas de ADN. Una célula con un genoma destruido puede existir durante algún tiempo, pero ya no puede dividirse, es decir, el crecimiento del tumor se detiene.
La terapia con rayos X es la forma más suave de radioterapia. La radiación de ondas es más suave que la radiación corpuscular y los rayos X son más suaves que la radiación gamma.
El uso de radiaciones ionizantes durante el embarazo es peligroso. Los rayos X son mutagénicos y pueden causar problemas en el feto. La terapia con rayos X es incompatible con el embarazo: sólo se puede utilizar si ya se ha decidido abortar. Las restricciones a la fluoroscopia son más leves, pero en los primeros meses también está estrictamente prohibida.
Si es absolutamente necesario, el examen de rayos X se sustituye por una resonancia magnética. Pero en el primer trimestre también intentan evitarlo (este método apareció recientemente y podemos decir con absoluta certeza que no tiene consecuencias nocivas).
Surge un claro peligro cuando se expone a una dosis total de al menos 1 mSv (en unidades antiguas, 100 mR). Con una radiografía simple (por ejemplo, durante una fluorografía), el paciente recibe aproximadamente 50 veces menos. Para recibir dicha dosis al mismo tiempo, debe someterse a una tomografía computarizada detallada.
Es decir, el hecho de una "radiografía" 1-2 x en sí mismo en una etapa temprana del embarazo no amenaza con consecuencias graves (pero es mejor no correr riesgos).
Los rayos X se utilizan principalmente en la lucha contra los tumores malignos. Este método es bueno porque es muy eficaz: mata el tumor. Es malo porque a los tejidos sanos les va poco mejor y existen numerosos efectos secundarios. Los órganos hematopoyéticos corren especial peligro.
En la práctica, se utilizan varios métodos para reducir el impacto de los rayos X en el tejido sano. Los rayos se dirigen en ángulo para que el tumor quede en el área de su intersección (debido a esto, la principal absorción de energía ocurre allí mismo). A veces, el procedimiento se realiza en movimiento: el cuerpo del paciente gira con respecto a la fuente de radiación alrededor de un eje que pasa a través del tumor. En este caso, los tejidos sanos se encuentran en la zona de irradiación sólo ocasionalmente y los tejidos enfermos están constantemente expuestos.
Los rayos X se utilizan en el tratamiento de determinadas artrosis y enfermedades similares, así como enfermedades de la piel. En este caso, el síndrome de dolor se reduce entre un 50 y un 90%. Dado que la radiación utilizada es más suave, no se observan efectos secundarios similares a los que se producen en el tratamiento de tumores.
La radiación de rayos X (sinónimo de rayos X) se produce en una amplia gama de longitudes de onda (de 8,10 -6 a 10 -12 cm). La radiación de rayos X se produce cuando partículas cargadas, generalmente electrones, se desaceleran en el campo eléctrico de los átomos de una sustancia. Los cuantos formados en este caso tienen diferentes energías y forman un espectro continuo. La energía máxima de los cuantos en dicho espectro es igual a la energía de los electrones incidentes. En (cm), la energía máxima de los cuantos de rayos X, expresada en kiloelectrones-voltios, es numéricamente igual a la magnitud del voltaje aplicado al tubo, expresada en kilovoltios. Cuando los rayos X atraviesan una sustancia, interactúan con los electrones de sus átomos. Para los cuantos de rayos X con energías de hasta 100 keV, el tipo de interacción más característico es el efecto fotoeléctrico. Como resultado de tal interacción, la energía del cuanto se gasta por completo en arrancar el electrón de la capa atómica y darle energía cinética. A medida que aumenta la energía de un cuanto de rayos X, la probabilidad del efecto fotoeléctrico disminuye y el proceso de dispersión de cuantos por electrones libres, el llamado efecto Compton, se vuelve predominante. Como resultado de tal interacción, también se forma un electrón secundario y, además, se emite un cuanto con una energía menor que la energía del cuanto primario. Si la energía del cuanto de rayos X supera un megaelectrón-voltio, puede producirse el llamado efecto de emparejamiento, en el que se forman un electrón y un positrón (ver). En consecuencia, al atravesar una sustancia, la energía de la radiación de rayos X disminuye, es decir, su intensidad disminuye. Dado que la absorción de cuantos de baja energía se produce con mayor probabilidad, la radiación de rayos X se enriquece con cuantos de mayor energía. Esta propiedad de la radiación de rayos X se utiliza para aumentar la energía media de los cuantos, es decir, para aumentar su dureza. Se logra un aumento en la dureza de la radiación de rayos X mediante filtros especiales (ver). La radiación de rayos X se utiliza para el diagnóstico por rayos X (ver) y (ver). Véase también Radiación ionizante.
La radiación de rayos X (sinónimo: rayos X, rayos X) es una radiación electromagnética cuántica con una longitud de onda de 250 a 0,025 A (o cuantos de energía de 5,10 -2 a 5,10 2 keV). En 1895 fue descubierto por VK Roentgen. La región espectral de radiación electromagnética adyacente a la radiación de rayos X, cuyos cuantos de energía superan los 500 keV, se llama radiación gamma (ver); La radiación cuyos cuantos de energía están por debajo de 0,05 kev constituye radiación ultravioleta (ver).
Así, la radiación de rayos X, que representa una parte relativamente pequeña del vasto espectro de la radiación electromagnética, que incluye tanto las ondas de radio como la luz visible, como cualquier radiación electromagnética, se propaga a la velocidad de la luz (en el vacío, unos 300 mil km/ seg) y se caracteriza por una longitud de onda λ (la distancia que recorre la radiación en un período de oscilación). La radiación de rayos X también tiene otras propiedades ondulatorias (refracción, interferencia, difracción), pero son mucho más difíciles de observar que la radiación de longitud de onda más larga: luz visible, ondas de radio.
Espectros de rayos X: a1 - espectro de bremsstrahlung continuo a 310 kV; a - espectro de frenado continuo a 250 kV, a1 - espectro filtrado con 1 mm Cu, a2 - espectro filtrado con 2 mm Cu, b - líneas de tungsteno serie K.
Para generar radiación de rayos X, se utilizan tubos de rayos X (ver), en los que la radiación se produce cuando electrones rápidos interactúan con los átomos de la sustancia anódica. Hay dos tipos de radiación de rayos X: bremsstrahlung y característica. Los rayos X Bremsstrahlung tienen un espectro continuo, similar a la luz blanca ordinaria. La distribución de intensidad en función de la longitud de onda (Fig.) está representada por una curva con un máximo; hacia las ondas largas la curva cae planamente, y hacia las cortas cae abruptamente y termina en una determinada longitud de onda (λ0), llamada límite de onda corta del espectro continuo. El valor de λ0 es inversamente proporcional al voltaje en el tubo. Bremsstrahlung ocurre cuando los electrones rápidos interactúan con los núcleos atómicos. La intensidad de la bremsstrahlung es directamente proporcional a la fuerza de la corriente del ánodo, el cuadrado del voltaje a través del tubo y el número atómico (Z) de la sustancia del ánodo.
Si la energía de los electrones acelerados en el tubo de rayos X excede el valor crítico para la sustancia anódica (esta energía está determinada por el voltaje Vcr crítico para esta sustancia en el tubo), entonces se produce una radiación característica. El espectro característico está rayado; sus líneas espectrales forman series, designadas con las letras K, L, M, N.
La serie K es la longitud de onda más corta, la serie L es la longitud de onda más larga, las series M y N se observan sólo en elementos pesados (Vcr del tungsteno para la serie K es 69,3 kV, para la serie L - 12,1 kV). La radiación característica surge de la siguiente manera. Los electrones rápidos expulsan a los electrones atómicos de sus capas internas. El átomo se excita y luego regresa al estado fundamental. En este caso, los electrones de las capas externas, menos ligadas, llenan los espacios desocupados en las capas internas, y se emiten fotones de radiación característica con una energía igual a la diferencia entre las energías del átomo en los estados excitado y fundamental. Esta diferencia (y por tanto la energía del fotón) tiene un valor determinado característico de cada elemento. Este fenómeno subyace al análisis espectral de rayos X de los elementos. La figura muestra el espectro lineal del tungsteno sobre el fondo de un espectro continuo de bremsstrahlung.
La energía de los electrones acelerados en el tubo de rayos X se convierte casi por completo en energía térmica (el ánodo se calienta mucho), sólo una pequeña parte (aproximadamente el 1% a un voltaje cercano a 100 kV) se convierte en energía de bremsstrahlung.
El uso de los rayos X en medicina se basa en las leyes de absorción de los rayos X por la materia. La absorción de la radiación de rayos X es completamente independiente de las propiedades ópticas de la sustancia absorbente. El vidrio de plomo transparente e incoloro, utilizado para proteger al personal en las salas de rayos X, absorbe casi por completo los rayos X. Por el contrario, una hoja de papel que no es transparente a la luz no atenúa los rayos X.
La intensidad de un haz de rayos X homogéneo (es decir, de cierta longitud de onda) que pasa a través de una capa absorbente disminuye según la ley exponencial (e-x), donde e es la base de los logaritmos naturales (2.718) y el exponente x igual al producto coeficiente de atenuación de masa (μ/p) cm 2 /g por espesor de absorbente en g/cm 2 (aquí p es la densidad de la sustancia en g/cm 3). La atenuación de la radiación de rayos X se produce tanto por dispersión como por absorción. En consecuencia, el coeficiente de atenuación de masa es la suma de los coeficientes de absorción y dispersión de masa. El coeficiente de absorción de masa aumenta bruscamente al aumentar el número atómico (Z) del absorbente (proporcional a Z3 o Z5) y al aumentar la longitud de onda (proporcional a λ3). Esta dependencia de la longitud de onda se observa dentro de las bandas de absorción, en cuyos límites el coeficiente presenta saltos.
El coeficiente de dispersión de masa aumenta al aumentar el número atómico de la sustancia. En λ≥0,3Å el coeficiente de dispersión no depende de la longitud de onda, en λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Una disminución de los coeficientes de absorción y dispersión al disminuir la longitud de onda provoca un aumento del poder de penetración de la radiación de rayos X. El coeficiente de absorción de masa del hueso [la absorción se debe principalmente a Ca 3 (PO 4) 2 ] es casi 70 veces mayor que el del tejido blando, donde la absorción se debe principalmente al agua. Esto explica por qué la sombra de los huesos se destaca con tanta nitidez sobre el fondo del tejido blando en las radiografías.
La propagación de un haz de rayos X no uniforme a través de cualquier medio, junto con una disminución de la intensidad, va acompañada de un cambio en la composición espectral y un cambio en la calidad de la radiación: la parte del espectro de onda larga es absorbida en mayor medida que la parte de onda corta, la radiación se vuelve más uniforme. El filtrado de la parte de onda larga del espectro permite, durante la terapia con rayos X de lesiones ubicadas en lo profundo del cuerpo humano, mejorar la relación entre las dosis profundas y superficiales (ver Filtros de rayos X). Para caracterizar la calidad de un haz de rayos X no homogéneo, se utiliza el concepto de “capa de media atenuación (L)”, una capa de sustancia que atenúa la radiación a la mitad. El espesor de esta capa depende del voltaje del tubo, del espesor y del material del filtro. Para medir las capas de media atenuación se utiliza celofán (hasta 12 keV de energía), aluminio (20-100 keV), cobre (60-300 keV), plomo y cobre (>300 keV). Para los rayos X generados a voltajes de 80-120 kV, 1 mm de cobre equivale en capacidad de filtrado a 26 mm de aluminio, 1 mm de plomo equivale a 50,9 mm de aluminio.
La absorción y dispersión de la radiación de rayos X se debe a sus propiedades corpusculares; La radiación de rayos X interactúa con los átomos como una corriente de corpúsculos (partículas): fotones, cada uno de los cuales tiene una cierta energía (inversamente proporcional a la longitud de onda de la radiación de rayos X). El rango de energía de los fotones de rayos X es de 0,05 a 500 keV.
La absorción de la radiación de rayos X se debe al efecto fotoeléctrico: la absorción de un fotón por la capa de electrones va acompañada de la expulsión de un electrón. El átomo se excita y, volviendo al estado fundamental, emite una radiación característica. El fotoelectrón emitido se lleva toda la energía del fotón (menos la energía de enlace del electrón en el átomo).
La dispersión de rayos X es causada por electrones en el medio de dispersión. Se hace una distinción entre la dispersión clásica (la longitud de onda de la radiación no cambia, pero sí la dirección de propagación) y la dispersión con un cambio de longitud de onda: el efecto Compton (la longitud de onda de la radiación dispersada es mayor que la de la radiación incidente). ). En este último caso, el fotón se comporta como una bola en movimiento, y la dispersión de los fotones se produce, según la expresión figurativa de Comton, como jugar al billar con fotones y electrones: al chocar con un electrón, el fotón le transfiere parte de su energía y se dispersado, al tener menos energía (en consecuencia, la longitud de onda de la radiación dispersada aumenta), un electrón sale volando del átomo con energía de retroceso (estos electrones se llaman electrones de Compton o electrones de retroceso). La absorción de energía de rayos X se produce durante la formación de electrones secundarios (Compton y fotoelectrones) y la transferencia de energía a ellos. La energía de la radiación de rayos X transferida a una unidad de masa de una sustancia determina la dosis absorbida de radiación de rayos X. La unidad de esta dosis 1 rad corresponde a 100 erg/g. Debido a la energía absorbida, en la sustancia absorbente se producen una serie de procesos secundarios que son importantes para la dosimetría de rayos X, ya que en ellos se basan los métodos para medir la radiación de rayos X. (ver Dosimetría).
Todos los gases y muchos líquidos, semiconductores y dieléctricos aumentan la conductividad eléctrica cuando se exponen a los rayos X. La conductividad se detecta con los mejores materiales aislantes: parafina, mica, caucho, ámbar. El cambio de conductividad se debe a la ionización del medio, es decir, a la separación de moléculas neutras en iones positivos y negativos (la ionización se produce mediante electrones secundarios). La ionización en el aire se utiliza para determinar la dosis de exposición a los rayos X (dosis en el aire), que se mide en roentgens (consulte Dosis de radiación ionizante). A una dosis de 1 r, la dosis absorbida en el aire es de 0,88 rad.
Bajo la influencia de la radiación de rayos X, como resultado de la excitación de las moléculas de una sustancia (y durante la recombinación de iones), en muchos casos se excita un brillo visible de la sustancia. A altas intensidades de radiación de rayos X, se observa un brillo visible en el aire, papel, parafina, etc. (a excepción de los metales). El mayor rendimiento de luminiscencia visible lo proporcionan los fósforos cristalinos como el fósforo Zn·CdS·Ag y otros utilizados para las pantallas de fluoroscopia.
Bajo la influencia de la radiación de rayos X, en una sustancia también pueden ocurrir varios procesos químicos: descomposición de compuestos de haluro de plata (un efecto fotográfico utilizado en la fotografía de rayos X), descomposición de agua y soluciones acuosas de peróxido de hidrógeno, cambios en las propiedades. de celuloide (turbidez y liberación de alcanfor), parafina (turbidez y decoloración).
Como resultado de la conversión completa, toda la energía absorbida por la sustancia químicamente inerte, la radiación de rayos X, se convierte en calor. Medir cantidades muy pequeñas de calor requiere métodos muy sensibles, pero es el método principal para mediciones absolutas de radiación de rayos X.
Los efectos biológicos secundarios de la exposición a la radiación de rayos X son la base de la terapia médica con rayos X (ver). La radiación de rayos X, cuyos cuantos son de 6 a 16 keV (longitudes de onda efectivas de 2 a 5 Å), es absorbida casi por completo por el tejido cutáneo del cuerpo humano; estos se denominan rayos límite o, a veces, rayos de Bucca (ver Rayos de Bucca). Para la terapia de rayos X profunda se utiliza radiación filtrada duramente con cuantos de energía efectivos de 100 a 300 keV.
El efecto biológico de la radiación de rayos X debe tenerse en cuenta no solo durante la terapia con rayos X, sino también durante el diagnóstico por rayos X, así como en todos los demás casos de contacto con la radiación de rayos X que requieran el uso de protección radiológica. (ver).
AGENCIA FEDERAL PARA LA EDUCACIÓN DE LA RF
INSTITUCIÓN EDUCATIVA DEL ESTADO
EDUCACIÓN PROFESIONAL SUPERIOR
INSTITUTO ESTATAL DE ACERO Y ALEACIONES DE MOSCÚ
(UNIVERSIDAD DE TECNOLOGIA)
SUCURSAL NOVOTROITSKY
Departamento de DEO
TRABAJO DEL CURSO
Disciplina: Física
Temas: RAYOS X
Estudiante: Nedorezova N.A.
Grupo: EiU-2004-25, n.º Z.K.: 04N036
Comprobado por: Ozhegova S.M.
Introducción
Capítulo 1. Descubrimiento de los rayos X.
1.1 Biografía de Röntgen Wilhelm Conrad
1.2 Descubrimiento de los rayos X
Capítulo 2. Radiación de rayos X.
2.1 fuentes de rayos X
2.2 Propiedades de los rayos X
2.3 Detección de rayos X
2.4 Uso de rayos X
Capítulo 3. Aplicación de los rayos X en metalurgia.
3.1 Análisis de imperfecciones de la estructura cristalina.
3.2 Análisis espectral
Conclusión
Lista de fuentes utilizadas
Aplicaciones
Era rara la persona que no pasaba por la sala de rayos X. Las imágenes de rayos X son familiares para todos. 1995 marcó el centenario de este descubrimiento. Es difícil imaginar el enorme interés que despertó hace un siglo. En manos del hombre había un dispositivo con ayuda del cual era posible ver lo invisible.
Esta radiación invisible, capaz de penetrar, aunque en distintos grados, en todas las sustancias, y que representa una radiación electromagnética con una longitud de onda de unos 10 -8 cm, se llamó radiación de rayos X, en honor a Wilhelm Roentgen, quien la descubrió.
Al igual que la luz visible, los rayos X hacen que la película fotográfica se vuelva negra. Esta propiedad es importante para la medicina, la industria y la investigación científica. Al atravesar el objeto en estudio y luego caer sobre la película fotográfica, la radiación de rayos X refleja en él su estructura interna. Dado que el poder de penetración de la radiación de rayos X varía según el material, las partes del objeto que le son menos transparentes producen en la fotografía áreas más claras que aquellas a través de las cuales la radiación penetra bien. Por tanto, el tejido óseo es menos transparente a los rayos X que el tejido que forma la piel y los órganos internos. Por lo tanto, en una radiografía, los huesos aparecerán como áreas más claras y el lugar de la fractura, que es menos transparente a la radiación, se puede detectar con bastante facilidad. Los rayos X también se utilizan en odontología para detectar caries y abscesos en las raíces de los dientes, así como en la industria para detectar grietas en piezas fundidas, plásticos y cauchos, en química para analizar compuestos y en física para estudiar la estructura de los cristales.
Al descubrimiento de Roentgen le siguieron experimentos de otros investigadores que descubrieron muchas propiedades y aplicaciones nuevas de esta radiación. Una contribución importante la hicieron M. Laue, W. Friedrich y P. Knipping, quienes demostraron en 1912 la difracción de los rayos X que atraviesan un cristal; W. Coolidge, quien en 1913 inventó un tubo de rayos X de alto vacío con un cátodo calentado; G. Moseley, quien estableció en 1913 la relación entre la longitud de onda de la radiación y el número atómico de un elemento; G. y L. Bragg, que recibieron el Premio Nobel en 1915 por desarrollar los fundamentos del análisis estructural de rayos X.
El propósito de este trabajo de curso es estudiar el fenómeno de la radiación de rayos X, la historia del descubrimiento, las propiedades e identificar el alcance de su aplicación.
Wilhelm Conrad Roentgen nació el 17 de marzo de 1845 en la región de Alemania fronteriza con Holanda, en la ciudad de Lenepe. Recibió su educación técnica en Zurich en la misma Escuela Técnica Superior (Politécnica) donde más tarde estudió Einstein. Su pasión por la física lo obligó, después de graduarse de la escuela en 1866, a continuar su educación física.
Tras defender su tesis para el doctorado en Filosofía en 1868, trabajó como asistente en el departamento de física, primero en Zurich, luego en Giessen y luego en Estrasburgo (1874-1879) con Kundt. Aquí Roentgen pasó por una buena escuela experimental y se convirtió en un experimentador de primera. Roentgen llevó a cabo algunas de sus importantes investigaciones con su alumno, uno de los fundadores de la física soviética A.F. Ioffe.
La investigación científica se relaciona con el electromagnetismo, la física de los cristales, la óptica y la física molecular.
En 1895 descubrió una radiación con una longitud de onda más corta que la de los rayos ultravioleta (rayos X), más tarde llamados rayos X, y estudió sus propiedades: capacidad de reflejarse, absorberse, ionizar el aire, etc. Propuso el diseño correcto del tubo para producir rayos X: un anticátodo de platino inclinado y un cátodo cóncavo: fue el primero en tomar fotografías con rayos X. Descubrió en 1885 el campo magnético de un dieléctrico que se mueve en un campo eléctrico (la llamada “corriente de rayos X”). Su experiencia demostró claramente que el campo magnético se crea mediante cargas en movimiento y fue importante para la creación de la Teoría electrónica de X. Lorentz. Un número importante de las obras de Roentgen están dedicadas al estudio de las propiedades de los líquidos, gases, cristales, fenómenos electromagnéticos, descubrió la relación entre los fenómenos eléctricos y ópticos en los cristales. Por el descubrimiento de los rayos que llevan su nombre. Roentgen fue el primer físico en recibir el Premio Nobel en 1901.
Desde 1900 hasta los últimos días de su vida (falleció el 10 de febrero de 1923), trabajó en la Universidad de Munich.
Finales del siglo XIX Estuvo marcado por un mayor interés por los fenómenos del paso de la electricidad a través de los gases. Faraday también estudió seriamente estos fenómenos, describió diversas formas de descarga y descubrió un espacio oscuro en una columna luminosa de gas enrarecido. El espacio oscuro de Faraday separa el brillo catódico azulado del brillo anódico rosado.
Un aumento adicional en la rarefacción del gas cambia significativamente la naturaleza del resplandor. El matemático Plücker (1801-1868) descubrió en 1859, en un vacío suficientemente fuerte, un haz de rayos débilmente azulados que emanaba del cátodo, alcanzaba el ánodo y hacía brillar el vidrio del tubo. Hittorf (1824-1914), alumno de Plücker, continuó en 1869 la investigación de su maestro y demostró que aparece una sombra clara en la superficie fluorescente del tubo si se coloca un cuerpo sólido entre el cátodo y esta superficie.
Goldstein (1850-1931), al estudiar las propiedades de los rayos, los llamó rayos catódicos (1876). Tres años más tarde, William Crookes (1832-1919) demostró la naturaleza material de los rayos catódicos y los llamó "materia radiante", una sustancia en un cuarto estado especial. Su evidencia fue convincente y visual. Posteriormente se realizaron experimentos con el "tubo de Crookes". demostrado en todas las aulas de física. La desviación de un haz catódico por un campo magnético en un tubo de Crookes se convirtió en una demostración escolar clásica.
Sin embargo, los experimentos sobre la desviación eléctrica de los rayos catódicos no resultaron tan convincentes. Hertz no detectó tal desviación y llegó a la conclusión de que el rayo catódico es un proceso oscilatorio en el éter. El alumno de Hertz, F. Lenard, experimentando con rayos catódicos, demostró en 1893 que atraviesan una ventana cubierta con papel de aluminio y provocan un brillo en el espacio detrás de la ventana. Hertz dedicó su último artículo, publicado en 1892, al fenómeno del paso de rayos catódicos a través de delgados cuerpos metálicos, y comenzaba con las palabras:
"Los rayos catódicos se diferencian de la luz de manera significativa en su capacidad para penetrar cuerpos sólidos." Al describir los resultados de los experimentos sobre el paso de los rayos catódicos a través de hojas de oro, plata, platino, aluminio, etc., Hertz señala que no No se observan diferencias especiales en los fenómenos. Los rayos no atraviesan las hojas de forma rectilínea, sino que se dispersan por difracción. La naturaleza de los rayos catódicos aún no estaba clara.
Fue con estos tubos de Crookes, Lenard y otros con los que experimentó el profesor de Würzburg, Wilhelm Conrad Roentgen, a finales de 1895. Una vez, al final del experimento, cubrió el tubo con una tapa de cartón negro, apagó la luz, pero no Sin embargo, al apagar el inductor que alimentaba el tubo, notó el brillo de la pantalla de sinóxido de bario ubicada cerca del tubo. Sorprendido por esta circunstancia, Roentgen comenzó a experimentar con la pantalla. En su primer informe, “Sobre un nuevo tipo de rayos”, fechado el 28 de diciembre de 1895, escribió sobre estos primeros experimentos: “Un trozo de papel recubierto con dióxido de azufre y bario platino, cuando se acerca a un tubo cubierto con una cubierta hecha de cartón negro delgado que se ajusta bastante bien a él, con cada descarga destella con una luz brillante: comienza a emitir fluorescencia. La fluorescencia es visible cuando está suficientemente oscurecido y no depende de si el papel se presenta con la cara recubierta con óxido azul de bario o no cubierta con óxido azul de bario. La fluorescencia se nota incluso a una distancia de dos metros del tubo”.
Un examen cuidadoso mostró a Roentgen "que el cartón negro, no transparente ni a los rayos visibles y ultravioletas del sol ni a los rayos de un arco eléctrico, está atravesado por algún agente que causa fluorescencia". Roentgen examinó el poder de penetración de este "agente, ", que llamó "rayos X" cortos, para diversas sustancias. Descubrió que los rayos atraviesan libremente el papel, la madera, el caucho duro y las finas capas de metal, pero son fuertemente retardados por el plomo.
Luego describe la sensacional experiencia:
"Si colocas la mano entre el tubo de descarga y la pantalla, puedes ver las sombras oscuras de los huesos en los contornos tenues de la sombra de la propia mano". Este fue el primer examen fluoroscópico del cuerpo humano. Roentgen también obtuvo las primeras imágenes de rayos X aplicándolas en su mano.
Estas imágenes causaron una gran impresión; el descubrimiento aún no se había completado y el diagnóstico por rayos X ya había comenzado su andadura. "Mi laboratorio estaba inundado de médicos que traían pacientes que sospechaban que tenían agujas en diferentes partes del cuerpo", escribió el físico inglés Schuster.
Ya después de los primeros experimentos, Roentgen estableció firmemente que los rayos X se diferencian de los rayos catódicos en que no llevan carga y no son desviados por un campo magnético, sino que son excitados por los rayos catódicos." Los rayos X no son idénticos a los rayos catódicos , pero son excitados por ellos en las paredes de vidrio del tubo de descarga”, escribió Roentgen.
También descubrió que se excitan no sólo en el vidrio, sino también en los metales.
Tras mencionar la hipótesis de Hertz-Lennard de que los rayos catódicos “son un fenómeno que ocurre en el éter”, Roentgen señala que “podemos decir algo similar sobre nuestros rayos”. Sin embargo, no pudo descubrir las propiedades ondulatorias de los rayos: "se comportan de manera diferente a los rayos ultravioleta, visibles e infrarrojos conocidos hasta ahora". Según Roentgen, en sus acciones químicas y luminiscentes, son similares a los rayos ultravioleta. En su primer mensaje, afirmó que más tarde se supuso que podrían ser ondas longitudinales en el éter.
El descubrimiento de Roentgen despertó un gran interés en el mundo científico. Sus experimentos se repitieron en casi todos los laboratorios del mundo. En Moscú los repitió P.N. Lébedev. En San Petersburgo, el inventor de la radio A.S. Popov experimentó con rayos X, los demostró en conferencias públicas y obtuvo varias imágenes de rayos X. En Cambridge D.D. Thomson utilizó inmediatamente el efecto ionizante de los rayos X para estudiar el paso de la electricidad a través de los gases. Su investigación condujo al descubrimiento del electrón.
La radiación de rayos X es una radiación ionizante electromagnética que ocupa la región espectral entre la radiación gamma y la ultravioleta en longitudes de onda de 10 -4 a 10 3 (de 10 -12 a 10 -5 cm).R. l. con longitud de onda λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - suave.
La fuente más común de rayos X es un tubo de rayos X.
Los tubos de rayos X se utilizan en el análisis estructural de rayos X.
Las principales características de los tubos de rayos X son la tensión de aceleración máxima permitida (1-500 kV), la corriente de electrones (0,01 mA - 1 A), la potencia específica disipada por el ánodo (10-10 4 W/mm 2), el consumo total de energía. (0,002 W - 60 kW) y tamaños de enfoque (1 µm - 10 mm). La eficiencia del tubo de rayos X es del 0,1 al 3%.
Algunos isótopos radiactivos también pueden servir como fuente de rayos X.
Los sincrotrones y los anillos de almacenamiento de electrones con energías de varios GeV pueden servir como fuentes de rayos X suaves con λ del orden de decenas y centenas. La intensidad de la radiación de rayos X de los sincrotrones supera la de un tubo de rayos X en esta región del espectro en 2-3 órdenes de magnitud.
Las fuentes naturales de rayos X son el Sol y otros objetos espaciales.
Dependiendo del mecanismo de generación de rayos X, sus espectros pueden ser continuos (bremsstrahlung) o lineales (característicos). Las partículas cargadas rápidamente emiten un espectro de rayos X continuo como resultado de su desaceleración al interactuar con los átomos objetivo; este espectro alcanza una intensidad significativa sólo cuando el objetivo es bombardeado con electrones. La intensidad de los rayos X bremsstrahlung se distribuye en todas las frecuencias hasta el límite de alta frecuencia 0, en el que la energía del fotón h 0 (h es la constante de Planck
La radiación lineal se produce después de la ionización de un átomo con la expulsión de un electrón de una de sus capas internas. Dicha ionización puede resultar de la colisión de un átomo con una partícula rápida como un electrón (rayos X primarios), o de la absorción de un fotón por el átomo (rayos X fluorescentes). El átomo ionizado se encuentra en el estado cuántico inicial en uno de los niveles de energía más altos y después de 10 -16 -10 -15 segundos pasa al estado final con energía más baja. En este caso, el átomo puede emitir el exceso de energía en forma de fotón de cierta frecuencia. Las frecuencias de las líneas en el espectro de dicha radiación son características de los átomos de cada elemento, por lo que la línea del espectro de rayos X se llama característica. La dependencia de la frecuencia de las líneas de este espectro del número atómico Z está determinada por la ley de Moseley.
Ley de Moseley, ley que relaciona la frecuencia de las líneas espectrales de la radiación de rayos X característica de un elemento químico con su número atómico. Establecido experimentalmente por G. Moseley
donde R es la constante de Rydberg
La ley de Moseley fue una prueba irrefutable de la correcta ubicación de los elementos en la tabla periódica de elementos.
De acuerdo con la ley de Moseley, los espectros característicos de los rayos X no revelan los patrones periódicos inherentes a los espectros ópticos. Esto indica que las capas electrónicas internas de los átomos de todos los elementos, que aparecen en los espectros característicos de rayos X, tienen una estructura similar.
Experimentos posteriores revelaron algunas desviaciones de la dependencia lineal para grupos de elementos de transición asociados con un cambio en el orden de llenado del externo. conchas electrónicas, así como para los átomos pesados, que aparecen como resultado de efectos relativistas (explicados condicionalmente por el hecho de que las velocidades internas son comparables a la velocidad de la luz).
Dependiendo de una serie de factores (el número de nucleones en el núcleo (desplazamiento isotónico), el estado de las capas electrónicas externas (desplazamiento químico), etc., la posición de las líneas espectrales en el diagrama de Moseley puede cambiar ligeramente. El estudio de estos cambios nos permite obtener información detallada sobre el átomo.
Los rayos X Bremsstrahlung emitidos por objetivos muy delgados están completamente polarizados cerca de 0; A medida que 0 disminuye, el grado de polarización disminuye. La radiación característica, por regla general, no está polarizada.
Cuando los rayos X interactúan con la materia, puede producirse un efecto fotoeléctrico.
Cuando los rayos X atraviesan una capa de sustancia de espesor x, su intensidad inicial I 0 disminuye al valor I = I 0 e - μ x donde μ es el coeficiente de atenuación. El debilitamiento del I se produce debido a dos procesos: la absorción de fotones de rayos X por la materia y un cambio en su dirección durante la dispersión. En la región de onda larga del espectro predomina la absorción de rayos X, en la región de onda corta predomina su dispersión. El grado de absorción aumenta rápidamente al aumentar Z y λ. Por ejemplo, los rayos X duros penetran libremente a través de una capa de aire de ~ 10 cm; una placa de aluminio de 3 cm de espesor atenúa a la mitad los rayos X con λ = 0,027; Los rayos X blandos se absorben significativamente en el aire y su uso y estudio sólo es posible en el vacío o en un gas débilmente absorbente (por ejemplo, He). Cuando se absorben los rayos X, los átomos de la sustancia se ionizan.
El efecto de los rayos X sobre los organismos vivos puede ser beneficioso o perjudicial dependiendo de la ionización que provocan en los tejidos. Dado que la absorción de rayos X depende de λ, su intensidad no puede servir como medida del efecto biológico de los rayos X. Las mediciones de rayos X se utilizan para medir cuantitativamente el efecto de los rayos X sobre la materia.
La dispersión de rayos X en la región de Z y λ grandes ocurre principalmente sin cambiar λ y se llama dispersión coherente, y en la región de Z y λ pequeños, por regla general, aumenta (dispersión incoherente). Hay dos tipos conocidos de dispersión incoherente de rayos X: Compton y Raman. En la dispersión de Compton, que tiene la naturaleza de una dispersión corpuscular inelástica, debido a la energía parcialmente perdida por el fotón de rayos X, un electrón en retroceso sale volando de la capa del átomo. En este caso, la energía del fotón disminuye y su dirección cambia; el cambio en λ depende del ángulo de dispersión. Durante la dispersión Raman de un fotón de rayos X de alta energía sobre un átomo ligero, una pequeña parte de su energía se gasta en ionizar el átomo y cambia la dirección del movimiento del fotón. El cambio en dichos fotones no depende del ángulo de dispersión.
El índice de refracción n de los rayos X difiere de 1 en una cantidad muy pequeña δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. La velocidad de fase de los rayos X en un medio es mayor que la velocidad de la luz en el vacío. La desviación de los rayos X al pasar de un medio a otro es muy pequeña (unos pocos minutos de arco). Cuando los rayos X caen desde el vacío sobre la superficie de un cuerpo en un ángulo muy pequeño, se reflejan completamente hacia el exterior.
El ojo humano no es sensible a los rayos X. radiografía
Los rayos se registran mediante una película fotográfica de rayos X especial que contiene una mayor cantidad de Ag y Br. En la región λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, la sensibilidad de la película fotográfica positiva ordinaria es bastante alta y sus granos son mucho más pequeños que los granos de la película de rayos X, lo que aumenta la resolución. En λ del orden de decenas y centenas, los rayos X actúan sólo sobre la capa superficial más delgada de la fotoemulsión; Para aumentar la sensibilidad de la película, se sensibiliza con aceites luminiscentes. En el diagnóstico por rayos X y la detección de defectos, a veces se utiliza la electrofotografía para registrar rayos X.
Se pueden registrar rayos X de alta intensidad utilizando una cámara de ionización
Los rayos X se utilizan más ampliamente en medicina para el diagnóstico por rayos X.
Análisis estructural de rayos X.
microscopía de rayos X
Los rayos X provenientes del espacio transportan información sobre la composición química de los cuerpos cósmicos y los procesos físicos que ocurren en el espacio. La astronomía de rayos X estudia los rayos X cósmicos.
Una de las principales tareas del análisis de difracción de rayos X es determinar el material o la composición de fases de un material. El método de difracción de rayos X es directo y se caracteriza por su alta fiabilidad, rapidez y relativa economía. El método no requiere gran cantidad sustancias, el análisis se puede realizar sin destruir la pieza. Los campos de aplicación del análisis de fases cualitativo son muy diversos, tanto para la investigación como para el control en la producción. Puede comprobar la composición de los materiales de partida de la producción metalúrgica, productos de síntesis, procesamiento, el resultado de los cambios de fase durante el tratamiento térmico y químico-térmico, analizar diversos recubrimientos, películas delgadas, etc.
Cada fase, que tiene su propia estructura cristalina, se caracteriza por un cierto conjunto de valores discretos de distancias interplanares d/n, inherentes únicamente a esta fase, desde el máximo y por debajo. Como se desprende de la ecuación de Wulff-Bragg, cada valor de la distancia interplanar corresponde a una línea en el patrón de difracción de rayos X de una muestra policristalina en un cierto ángulo θ (para una longitud de onda dada λ). Por tanto, un determinado conjunto de distancias interplanares para cada fase del patrón de difracción de rayos X corresponderá a un determinado sistema de líneas (máximos de difracción). La intensidad relativa de estas líneas en el patrón de difracción de rayos X depende principalmente de la estructura de la fase. Por lo tanto, al determinar la ubicación de las líneas en la imagen de rayos X (su ángulo θ) y conociendo la longitud de onda de la radiación a la que se tomó la imagen de rayos X, podemos determinar los valores de las distancias interplanares d/ norte usando la fórmula de Wulff-Bragg:
/n = λ/ (2sen θ). (1)
Determinando un conjunto de d/n para el material en estudio y comparándolo con datos d/n previamente conocidos para sustancias puras y sus diversos compuestos, es posible determinar qué fase constituye el material dado. Se debe enfatizar que son las fases las que se determinan, y no la composición química, pero esta última a veces puede inferirse si existen datos adicionales sobre la composición elemental de una fase en particular. La tarea del análisis de fases cualitativo se simplifica enormemente si se conoce la composición química del material que se estudia, porque entonces se pueden hacer suposiciones preliminares sobre las posibles fases en un caso dado.
Lo principal para el análisis de fase es medir con precisión d/n y la intensidad de la línea. Aunque en principio esto es más fácil de lograr usando un difractómetro, el fotométodo para análisis cualitativo tiene algunas ventajas, principalmente en términos de sensibilidad (la capacidad de detectar la presencia de una pequeña cantidad de fase en una muestra), así como la simplicidad de la técnica experimental.
El cálculo de d/n a partir de un patrón de difracción de rayos X se realiza mediante la ecuación de Wulff-Bragg.
El valor de λ en esta ecuación generalmente se usa λ α avg K-series:
λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
A veces se utiliza la línea K α1. La determinación de los ángulos de difracción θ para todas las líneas de fotografías de rayos X le permite calcular d/n usando la ecuación (1) y líneas β separadas (si no hubiera filtro para (rayos β).
Todos los verdaderos materiales monocristalinos y, sobre todo, policristalinos contienen ciertas imperfecciones estructurales (defectos puntuales, dislocaciones, distintos tipos de interfaces, micro y macrotensiones), que tienen una influencia muy fuerte en todas las propiedades y procesos sensibles a la estructura.
Las imperfecciones estructurales provocan perturbaciones de la red cristalina de diferente naturaleza y, como consecuencia, diferentes tipos de cambios en el patrón de difracción: los cambios en las distancias interatómicas e interplanares provocan un desplazamiento de los máximos de difracción, las microtensiones y la dispersión de la subestructura conducen a un ensanchamiento de los máximos de difracción, las microdistorsiones de la red provocan cambios en la intensidad de estos máximos, la presencia de dislocaciones provoca fenómenos anómalos durante el paso de los rayos X y, en consecuencia, heterogeneidades locales en contraste con los topogramas de rayos X, etc.
Como resultado, el análisis de difracción de rayos X es uno de los métodos más informativos para estudiar las imperfecciones estructurales, su tipo y concentración, y la naturaleza de la distribución.
El método tradicional directo de difracción de rayos X, que se implementa en difractómetros estacionarios, debido a sus características de diseño, permite la determinación cuantitativa de tensiones y deformaciones sólo en pequeñas muestras cortadas de piezas u objetos.
Por lo tanto, en la actualidad hay una transición de difractómetros de rayos X estacionarios a portátiles de pequeño tamaño, que permiten evaluar las tensiones en el material de piezas u objetos sin destrucción en las etapas de su fabricación y operación.
Los difractómetros de rayos X portátiles de la serie DRP * 1 le permiten monitorear tensiones residuales y efectivas en piezas, productos y estructuras grandes sin destrucción.
El programa en entorno Windows permite no sólo determinar tensiones utilizando el método “sin 2 ψ” en tiempo real, sino también monitorear los cambios en la composición y textura de las fases. El detector de coordenadas lineales proporciona registro simultáneo en ángulos de difracción de 2θ = 43°. La seguridad radiológica del dispositivo está garantizada por tubos de rayos X de pequeño tamaño del tipo "Fox" de alta luminosidad y baja potencia (5 W), en los que a una distancia de 25 cm de la zona irradiada el nivel de radiación es igual al nivel de fondo natural. Los dispositivos de la serie DRP se utilizan para determinar tensiones en varias etapas de la conformación del metal, durante el corte, rectificado, tratamiento térmico, soldadura y endurecimiento de superficies para optimizar estas operaciones tecnológicas. El seguimiento de la caída del nivel de tensiones de compresión residuales inducidas en productos y estructuras especialmente críticos durante su funcionamiento permite poner el producto fuera de servicio antes de su destrucción, previniendo posibles accidentes y desastres.
Además de determinar la estructura cristalina atómica y la composición de fases del material para su características completas Es obligatorio determinar su composición química.
Para estos fines se utilizan cada vez más en la práctica diversos métodos llamados instrumentales de análisis espectral. Cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y aplicaciones.
Uno de los requisitos importantes en muchos casos es que el método utilizado garantice la seguridad del objeto analizado; Son precisamente estos métodos de análisis los que se analizan en esta sección. El siguiente criterio por el cual se eligieron los métodos de análisis descritos en esta sección es su localidad.
El método de análisis espectral de rayos X fluorescentes se basa en la penetración de radiación de rayos X bastante dura (de un tubo de rayos X) en el objeto analizado, penetrando en una capa con un espesor de aproximadamente varios micrómetros. La radiación de rayos X característica que aparece en el objeto permite obtener datos promediados sobre su composición química.
Para determinar la composición elemental de una sustancia, se puede utilizar el análisis del espectro de radiación de rayos X característico de una muestra colocada en el ánodo de un tubo de rayos X y sometida a bombardeo con electrones: el método de emisión o análisis de la espectro de radiación de rayos X secundaria (fluorescente) de una muestra irradiada con rayos X duros de un tubo de rayos X u otra fuente: método fluorescente.
La desventaja del método de emisión es, en primer lugar, la necesidad de colocar la muestra en el ánodo del tubo de rayos X y luego bombearla con bombas de vacío; Evidentemente, este método no es adecuado para sustancias fusibles y volátiles. El segundo inconveniente está relacionado con el hecho de que incluso los objetos refractarios resultan dañados por el bombardeo de electrones. El método fluorescente no presenta estos inconvenientes y, por tanto, tiene una aplicación mucho más amplia. La ventaja del método fluorescente es también la ausencia de radiación bremsstrahlung, lo que mejora la sensibilidad del análisis. La comparación de las longitudes de onda medidas con tablas de líneas espectrales de elementos químicos constituye la base del análisis cualitativo, y los valores relativos de las intensidades de las líneas espectrales de diferentes elementos que forman la sustancia de muestra forman la base del análisis cuantitativo. Al examinar el mecanismo de excitación de la radiación de rayos X característica, queda claro que la radiación de una u otra serie (K o L, M, etc.) surge simultáneamente y las relaciones de intensidades de las líneas dentro de la serie son siempre constantes. . Por tanto, la presencia de tal o cual elemento se establece no por líneas individuales, sino por una serie de líneas en su conjunto (excepto las más débiles, teniendo en cuenta el contenido de un elemento determinado). Para elementos relativamente livianos, se utiliza el análisis de líneas de la serie K, para elementos pesados, líneas de la serie L; En diferentes condiciones (dependiendo del equipo utilizado y de los elementos que se analizan), pueden ser más convenientes diferentes regiones del espectro característico.
Las principales características del análisis espectral de rayos X son las siguientes.
La simplicidad de los espectros característicos de rayos X incluso para elementos pesados (en comparación con los espectros ópticos), que simplifica el análisis (pequeño número de líneas; similitud en su disposición relativa; con un aumento en el número ordinal hay un desplazamiento natural del espectro a la región de onda corta, simplicidad comparativa del análisis cuantitativo).
Independencia de las longitudes de onda del estado de los átomos del elemento analizado (libre o en un compuesto químico). Esto se debe a que la aparición de la radiación de rayos X característica está asociada a la excitación de los niveles electrónicos internos, que en la mayoría de los casos prácticamente no cambian según el grado de ionización de los átomos.
La capacidad de separar en el análisis tierras raras y algunos otros elementos que tienen pequeñas diferencias en los espectros en el rango óptico debido a la similitud de la estructura electrónica de las capas externas y difieren muy poco en sus propiedades químicas.
El método de espectroscopia de fluorescencia de rayos X es "no destructivo", por lo que tiene una ventaja sobre el método de espectroscopia óptica convencional al analizar muestras delgadas: láminas de metal delgadas, láminas, etc.
Los espectrómetros de fluorescencia de rayos X se han vuelto especialmente utilizados en las empresas metalúrgicas, incluidos los espectrómetros multicanal o cuantómetros que proporcionan un análisis cuantitativo rápido de elementos (desde Na o Mg hasta U) con un error de menos del 1% del valor determinado, un umbral de sensibilidad. de 10-3... 10-4%.
haz de rayos x
Métodos para determinar la composición espectral de la radiación de rayos X.
Los espectrómetros se dividen en dos tipos: de difracción de cristal y sin cristal.
La descomposición de los rayos X en un espectro utilizando una red de difracción natural (un cristal) es esencialmente similar a la obtención del espectro de los rayos de luz ordinarios utilizando una red de difracción artificial en forma de líneas periódicas sobre vidrio. La condición para la formación de un máximo de difracción se puede escribir como la condición de “reflexión” desde un sistema de planos atómicos paralelos separados por una distancia d hkl.
Al realizar un análisis cualitativo, se puede juzgar la presencia de un elemento particular en una muestra por una línea, generalmente la línea más intensa de la serie espectral adecuada para un analizador de cristal determinado. La resolución de los espectrómetros de difracción de cristales es suficiente para separar las líneas características de elementos pares, vecinos en posición en la tabla periódica. Sin embargo, también hay que tener en cuenta la superposición de diferentes líneas de diferentes elementos, así como la superposición de reflejos. orden diferente. Esta circunstancia debe tenerse en cuenta a la hora de elegir líneas analíticas. Al mismo tiempo, es necesario aprovechar las posibilidades de mejorar la resolución del dispositivo.
Por tanto, los rayos X son una radiación electromagnética invisible con una longitud de onda de 10 5 - 10 2 nm. Los rayos X pueden penetrar algunos materiales que son opacos a la luz visible. Se emiten durante la desaceleración de los electrones rápidos en una sustancia (espectro continuo) y durante las transiciones de electrones de las capas externas de un átomo a las internas (espectro lineal). Las fuentes de radiación de rayos X son: un tubo de rayos X, algunos isótopos radiactivos, aceleradores y dispositivos de almacenamiento de electrones (radiación sincrotrón). Receptores: películas fotográficas, pantallas fluorescentes, detectores de radiación nuclear. Los rayos X se utilizan en análisis de difracción de rayos X, medicina, detección de defectos, análisis espectral de rayos X, etc.
Habiendo considerado los aspectos positivos del descubrimiento de V. Roentgen, es necesario señalar su efecto biológico nocivo. Resultó que la radiación de rayos X puede provocar algo parecido a una quemadura solar grave (eritema), acompañada, sin embargo, de daños más profundos y permanentes en la piel. Las úlceras que aparecen muchas veces se convierten en cáncer. En muchos casos hubo que amputar dedos o manos. También hubo muertes.
Se ha descubierto que se pueden evitar daños en la piel reduciendo el tiempo y la dosis de exposición, utilizando blindajes (por ejemplo, plomo) y controles remotos. Pero poco a poco surgieron otras consecuencias a más largo plazo de la irradiación con rayos X, que luego fueron confirmadas y estudiadas en animales de experimentación. Los efectos causados por los rayos X y otras radiaciones ionizantes (como la radiación gamma emitida por materiales radiactivos) incluyen:
) cambios temporales en la composición de la sangre después de un exceso de radiación relativamente pequeño;
) cambios irreversibles en la composición de la sangre (anemia hemolítica) después de una radiación excesiva y prolongada;
) mayor incidencia de cáncer (incluida la leucemia);
) envejecimiento más rápido y muerte más temprana;
) la aparición de cataratas.
El impacto biológico de la radiación de rayos X en el cuerpo humano está determinado por el nivel de dosis de radiación, así como por el órgano del cuerpo que estuvo expuesto a la radiación.
La acumulación de conocimientos sobre los efectos de la radiación de rayos X en el cuerpo humano ha llevado al desarrollo de estándares nacionales e internacionales para las dosis de radiación permitidas, publicados en diversas publicaciones de referencia.
Para evitar los efectos nocivos de la radiación de rayos X, se utilizan métodos de control:
) disponibilidad de equipos adecuados,
) controlar el cumplimiento de las normas de seguridad,
) uso correcto del equipo.
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) Blokhin M.A., Métodos de estudios espectrales de rayos X, M., 1959;
) Rayos X. Se sentó. editado por MAMÁ. Blokhina, por. con él. e inglés, M., 1960;
) Kharaja F., Curso general de tecnología de rayos X, 3.ª ed., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Manual sobre análisis estructural de policristales por rayos X, M., 1961;
) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Tablas de referencia para espectroscopia de rayos X, M., 1953.
) Análisis óptico-electrónico y de rayos X. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Libro de texto. Un manual para universidades. - 4ª ed. Agregar. Y reelaborado. - M.: "MISiS", 2002. - 360 p.
Anexo 1
Vista general de los tubos de rayos X.
Apéndice 2
Diagrama de tubo de rayos X para análisis estructural.
Diagrama de un tubo de rayos X para análisis estructural: 1 - copa de ánodo metálico (generalmente conectado a tierra); 2 - ventanas de berilio para emisión de rayos X; 3 - cátodo termoiónico; 4 - matraz de vidrio, que aísla la parte anódica del tubo del cátodo; 5 - terminales del cátodo, a los que se suministra el voltaje del filamento, así como el voltaje alto (en relación con el ánodo); 6 - sistema de concentración de electrones electrostáticos; 7 - ánodo (anticatodo); 8 - tubos para entrada y salida de agua corriente que enfría la copa del ánodo.
Apéndice 3
diagrama de Moseley
Diagrama de Moseley para las series K, L y M de radiación de rayos X característica. El eje de abscisas muestra el número de serie del elemento Z y el eje de ordenadas muestra ( Con- velocidad de la luz).
Apéndice 4
Cámara de ionización.
Figura 1. Sección transversal de una cámara de ionización cilíndrica: 1 - cuerpo de cámara cilíndrica, que sirve como electrodo negativo; 2 - varilla cilíndrica que sirve como electrodo positivo; 3 - aisladores.
Arroz. 2. Diagrama del circuito para encender una cámara de ionización actual: V - voltaje en los electrodos de la cámara; G - galvanómetro que mide la corriente de ionización.
Arroz. 3. Características corriente-voltaje de la cámara de ionización.
Arroz. 4. Diagrama de conexión de la cámara de ionización por pulsos: C - capacidad del electrodo colector; R - resistencia.
Apéndice 5
Contador de centelleo.
Circuito contador de centelleo: los cuantos de luz (fotones) “eliminan” los electrones del fotocátodo; Al pasar de un dínodo a otro, la avalancha de electrones se multiplica.
Apéndice 6
Contador Geiger-Müller.
Arroz. 1. Diagrama de un contador Geiger-Müller de vidrio: 1 - tubo de vidrio herméticamente cerrado; 2 - cátodo (una fina capa de cobre sobre un tubo de acero inoxidable); 3 - salida del cátodo; 4 - ánodo (hilo fino estirado).
Arroz. 2. Diagrama de circuito para conectar un contador Geiger-Müller.
Arroz. 3. Características de conteo de un contador Geiger-Müller.
Apéndice 7
Contador proporcional.
Esquema de un contador proporcional: a - región de deriva de electrones; b - región de mejora del gas.
Apéndice 8
Detectores de semiconductores
detectores de semiconductores; El área sensible se resalta mediante sombreado; n - región del semiconductor con conductividad electrónica, p - con conductividad de huecos, i - con conductividad intrínseca; a - detector de barrera de superficie de silicio; b - detector plano de deriva de germanio-litio; c - detector coaxial de germanio-litio.
