Promienie rentgenowskie odgrywają jedną z najważniejszych ról w badaniu i praktycznym wykorzystaniu zjawisk atomowych. Dzięki ich badaniom dokonano wielu odkryć i opracowano metody analizy substancji, które są wykorzystywane w różnych dziedzinach. Tutaj rozważamy jeden z rodzajów promieni rentgenowskich - charakterystyczny prześwietlenia.
Promieniowanie rentgenowskie to wysokoczęstotliwościowa zmiana stanu pola elektromagnetycznego rozchodzącego się w przestrzeni z prędkością około 300 000 km/s, czyli fale elektromagnetyczne. W skali zasięgu promieniowania elektromagnetycznego promienie rentgenowskie mieszczą się w zakresie długości fal od około 10 -8 do 5∙10 -12 metrów, czyli o kilka rzędów wielkości krótszym niż fale optyczne. Odpowiada to częstotliwościom od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz i energiom od 10 eV do 250 keV, czyli 1,6∙10 -18 do 4∙10 -14 J. Należy zauważyć, że granice zakresów częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego są dość arbitralne ze względu na ich nakładanie się.
Jest oddziaływaniem przyspieszonych naładowanych cząstek (elektronów o wysokiej energii) z polami elektrycznymi i magnetycznymi oraz z atomami materii.
Fotony promieniowania rentgenowskiego charakteryzują się wysokimi energiami oraz dużą zdolnością przenikania i jonizacji, szczególnie w przypadku twardego promieniowania rentgenowskiego o długości fali mniejszej niż 1 nanometr (10 -9 m).
Promieniowanie rentgenowskie oddziałuje z materią, jonizując jej atomy, w procesach efektu fotoelektrycznego (fotoabsorpcji) i rozpraszania niespójnego (Comptona). W fotoabsorpcji foton promieniowania rentgenowskiego, absorbowany przez elektron atomu, przekazuje mu energię. Jeśli jego wartość przekracza energię wiązania elektronu w atomie, to opuszcza atom. Rozpraszanie Comptona jest charakterystyczne dla twardszych (energetycznych) fotonów promieniowania rentgenowskiego. Część energii zaabsorbowanego fotonu jest zużywana na jonizację; w tym przypadku pod pewnym kątem do kierunku fotonu pierwotnego emitowany jest foton wtórny o niższej częstotliwości.
Aby uzyskać promienie, stosuje się szklane butelki próżniowe z umieszczonymi wewnątrz elektrodami. Różnica potencjałów między elektrodami musi być bardzo duża – do setek kilowoltów. Na katodzie wolframowej ogrzewanej prądem zachodzi emisja termionowa, to znaczy emitowane są z niej elektrony, które przyspieszone różnicą potencjałów bombardują anodę. W wyniku ich interakcji z atomami anody (czasami nazywanej antykatodą) powstają fotony promieniowania rentgenowskiego.
W zależności od tego, jaki proces prowadzi do narodzin fotonu, istnieją takie rodzaje promieniowania rentgenowskiego, jak bremsstrahlung i charakterystyczne.
Elektrony, spotykając się z anodą, mogą zwalniać, to znaczy tracić energię w polach elektrycznych jej atomów. Energia ta jest emitowana w postaci fotonów rentgenowskich. Takie promieniowanie nazywa się bremsstrahlung.
Oczywiste jest, że warunki hamowania będą różne dla poszczególnych elektronów. Oznacza to, że różne ilości ich energii kinetycznej są przekształcane w promieniowanie rentgenowskie. W rezultacie bremsstrahlung obejmuje fotony o różnych częstotliwościach i odpowiednio długościach fal. Dlatego jego widmo jest ciągłe (ciągłe). Czasami z tego powodu nazywa się to również „białym” promieniowaniem rentgenowskim.
Energia fotonu bremsstrahlung nie może przekroczyć energii kinetycznej elektronu, który go generuje, tak aby maksymalna częstotliwość (i najmniejsza długość fali) bremsstrahlung odpowiadała największej wartości energii kinetycznej elektronów padających na anodę. To ostatnie zależy od różnicy potencjałów przyłożonej do elektrod.
Istnieje inny rodzaj promieniowania rentgenowskiego, który pochodzi z innego procesu. To promieniowanie nazywa się charakterystycznym i zajmiemy się nim bardziej szczegółowo.
Po dotarciu do antykatody szybki elektron może wniknąć do wnętrza atomu i wybić dowolny elektron z jednego z niższych orbitali, czyli przekazać mu energię wystarczającą do pokonania bariery potencjału. Jeśli jednak w atomie znajdują się wyższe poziomy energii zajmowane przez elektrony, zwolnione miejsce nie pozostanie puste.
Należy pamiętać, że struktura elektronowa atomu, jak każdy system energetyczny, dąży do minimalizacji energii. Wakat powstały w wyniku nokautu zostaje wypełniony elektronem z jednego z wyższych poziomów. Jego energia jest wyższa, a zajmując niższy poziom, emituje nadwyżkę w postaci kwantu charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.
Struktura elektronowa atomu to dyskretny zbiór możliwych stanów energetycznych elektronów. Dlatego fotony rentgenowskie emitowane podczas wymiany wakansów elektronowych również mogą mieć tylko ściśle określone wartości energii, odzwierciedlające różnicę poziomów. W rezultacie charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo nie ciągłe, ale typu liniowego. Takie widmo umożliwia scharakteryzowanie substancji anody - stąd nazwa tych promieni. Właśnie z powodu różnic widmowych jasne jest, co oznacza bremsstrahlung i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.
Czasami nadmiar energii nie jest emitowany przez atom, ale jest zużywany na wybijanie trzeciego elektronu. Proces ten – tzw. efekt Augera – jest bardziej prawdopodobny, gdy energia wiązania elektronów nie przekracza 1 keV. Energia uwolnionego elektronu Augera zależy od struktury poziomów energetycznych atomu, dlatego też widma takich elektronów są dyskretne.
W widmie rentgenowskim występują wąskie charakterystyczne linie wraz z ciągłym widmem bremsstrahlung. Jeśli przedstawimy widmo jako wykres intensywności w funkcji długości fali (częstotliwości), zobaczymy ostre piki w miejscach linii. Ich położenie zależy od materiału anody. Te maksima są obecne przy każdej różnicy potencjałów - jeśli są promienie rentgenowskie, zawsze są też szczyty. Wraz ze wzrostem napięcia na elektrodach tuby wzrasta intensywność zarówno ciągłego, jak i charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, ale położenie pików i stosunek ich natężeń nie zmienia się.
Piki w widmach rentgenowskich mają ten sam kształt niezależnie od materiału antykatody naświetlanej elektronami, ale dla różnych materiałów znajdują się one przy różnych częstotliwościach, łącząc się szeregowo w zależności od bliskości wartości częstotliwości. Pomiędzy samymi seriami różnica w częstotliwościach jest znacznie bardziej znacząca. Kształt maksimów nie zależy w żaden sposób od tego, czy materiał anody reprezentuje czysty pierwiastek chemiczny, czy też jest substancją złożoną. W tym drugim przypadku charakterystyczne widma rentgenowskie jego pierwiastków składowych po prostu nakładają się na siebie.
Wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka chemicznego wszystkie linie jego widma rentgenowskiego przesuwają się w kierunku rosnącej częstotliwości. Widmo zachowuje swoją formę.
Zjawisko przesunięcia widmowego linii charakterystycznych zostało eksperymentalnie odkryte przez angielskiego fizyka Henry'ego Moseleya w 1913 roku. To pozwoliło mu powiązać częstotliwości maksimów widma z liczbami porządkowymi pierwiastków chemicznych. Tak więc długość fali charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, jak się okazało, może być wyraźnie skorelowana z określonym pierwiastkiem. Ogólnie rzecz biorąc, prawo Moseleya można zapisać w następujący sposób: √f = (Z - S n)/n√R, gdzie f to częstotliwość, Z to liczba porządkowa pierwiastka, S n to stała ekranowania, n to główna liczba kwantowa, a R to stała Rydberga. Ta zależność jest liniowa i pojawia się na diagramie Moseleya jako seria linii prostych dla każdej wartości n.
Wartości n odpowiadają poszczególnym seriom charakterystycznych pików rentgenowskich. Prawo Moseleya pozwala określić numer seryjny pierwiastka chemicznego napromieniowanego twardymi elektronami na podstawie zmierzonych długości fal (są one jednoznacznie związane z częstotliwościami) maksimów widma rentgenowskiego.
Struktura powłok elektronowych pierwiastków chemicznych jest identyczna. Wskazuje na to monotoniczność zmiany przesunięcia w charakterystycznym widmie promieniowania rentgenowskiego. Przesunięcie częstotliwości odzwierciedla nie strukturalne, ale różnice energii między powłokami elektronowymi, unikalne dla każdego pierwiastka.
Istnieją niewielkie odchylenia od ścisłej liniowej zależności wyrażonej przez prawo Moseleya. Wiążą się one, po pierwsze, z osobliwościami kolejności wypełnienia powłok elektronowych w niektórych pierwiastkach, a po drugie, z relatywistycznymi efektami ruchu elektronów w ciężkich atomach. Ponadto, gdy zmienia się liczba neutronów w jądrze (tzw. przesunięcie izotopowe), położenie linii może się nieznacznie zmienić. Efekt ten umożliwił szczegółowe zbadanie struktury atomu.
Znaczenie prawa Moseleya jest niezwykle wielkie. Jego konsekwentne zastosowanie do elementów układu okresowego Mendelejewa ustaliło wzorzec zwiększania numeru seryjnego zgodnie z każdym małym przesunięciem charakterystycznych maksimów. Przyczyniło się to do wyjaśnienia kwestii fizycznego znaczenia liczby porządkowej elementów. Wartość Z to nie tylko liczba: to dodatni ładunek elektryczny jądra, który jest sumą jednostkowych ładunków dodatnich tworzących je cząstek. Prawidłowe rozmieszczenie elementów w tabeli i obecność w niej pustych pozycji (wtedy jeszcze istniały) uzyskało mocne potwierdzenie. Udowodniono ważność prawa okresowości.
Ponadto prawo Moseleya stało się podstawą, na której powstał cały obszar badań eksperymentalnych - spektrometria rentgenowska.
Przypomnijmy pokrótce, jak zbudowana jest struktura elektronowa, składająca się z powłok, oznaczonych literami K, L, M, N, O, P, Q lub liczbami od 1 do 7. Elektrony wewnątrz powłoki charakteryzują się tą samą główną liczbą kwantową n, która określa możliwe wartości energii. W powłokach zewnętrznych energia elektronów jest wyższa, a potencjał jonizacji elektronów zewnętrznych odpowiednio niższy.
Powłoka zawiera jeden lub więcej podpoziomów: s, p, d, f, g, h, i. W każdej powłoce liczba podpoziomów wzrasta o jeden w porównaniu do poprzedniej. Liczba elektronów w każdym podpoziomie iw każdej powłoce nie może przekroczyć określonej wartości. Cechuje je, oprócz głównej liczby kwantowej, ta sama wartość orbitalnej chmury elektronów, która decyduje o kształcie. Podpoziomy są oznaczone powłoką, do której należą, na przykład 2s, 4d i tak dalej.
Podpoziom zawiera, które wyznacza, oprócz głównego i orbitalnego, jeszcze jedna liczba kwantowa - magnetyczna, która określa rzutowanie pędu orbitalnego elektronu na kierunek pola magnetycznego. Jeden orbital może mieć nie więcej niż dwa elektrony, różniące się wartością czwartej liczby kwantowej - spinu.
Rozważmy bardziej szczegółowo, jak powstaje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Ponieważ geneza tego rodzaju emisji elektromagnetycznej jest związana ze zjawiskami zachodzącymi wewnątrz atomu, najwygodniej jest opisać ją właśnie w przybliżeniu konfiguracji elektronowych.
Tak więc przyczyną tego promieniowania jest powstawanie luk elektronowych w powłokach wewnętrznych, w wyniku wnikania wysokoenergetycznych elektronów w głąb atomu. Prawdopodobieństwo interakcji twardego elektronu wzrasta wraz z gęstością chmur elektronowych. Dlatego kolizje najprawdopodobniej mają miejsce w gęsto upakowanych powłokach wewnętrznych, takich jak najniższa powłoka K. Tutaj atom jest zjonizowany, aw powłoce 1s powstaje wakat.
Pustkę tę wypełnia elektron z powłoki o wyższej energii, której nadmiar jest odprowadzany przez foton promieniowania rentgenowskiego. Elektron ten może „spaść” z drugiej powłoki L, z trzeciej powłoki M i tak dalej. W ten sposób powstaje szereg charakterystyczny, w tym przykładzie szereg K. Wskazanie, skąd pochodzi elektron wypełniający lukę, podaje się w postaci indeksu greckiego przy oznaczaniu szeregu. „Alfa” oznacza, że pochodzi z powłoki L, „beta” – z powłoki M. Obecnie istnieje tendencja do zastępowania indeksów liter greckich indeksami łacińskimi, przyjętymi do oznaczania muszli.
Intensywność linii alfa w szeregu jest zawsze największa, co oznacza, że prawdopodobieństwo zapełnienia wakatu z sąsiedniej powłoki jest największe.
Teraz możemy odpowiedzieć na pytanie, jaka jest maksymalna energia charakterystycznego kwantu promieniowania rentgenowskiego. Jest to określone przez różnicę wartości energii poziomów, między którymi następuje przejście elektronu, zgodnie ze wzorem E \u003d E n 2 - E n 1, gdzie E n 2 i E n 1 są energiami stanów elektronicznych, między którymi nastąpiło przejście. Najwyższą wartość tego parametru dają przejścia serii K od najwyższych możliwych poziomów atomów pierwiastków ciężkich. Ale intensywność tych linii (wysokości pików) jest najmniejsza, ponieważ są one najmniej prawdopodobne.
Jeśli z powodu niewystarczającego napięcia na elektrodach twardy elektron nie może osiągnąć poziomu K, tworzy lukę na poziomie L i powstaje mniej energetyczna seria L o dłuższych falach. Kolejne serie rodzą się w podobny sposób.
Ponadto, gdy wakat jest wypełniony, w wyniku przejścia elektronicznego pojawia się nowy wakat w leżącej nad nim powłoce. Stwarza to warunki do generowania kolejnych serii. Wakaty elektronowe przesuwają się wyżej z poziomu na poziom, a atom emituje kaskadę charakterystycznych serii widmowych, pozostając zjonizowanym.
Atomowe widma rentgenowskie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego charakteryzują się subtelną strukturą, która wyraża się, podobnie jak w widmach optycznych, rozszczepieniem linii.
Drobna struktura wynika z faktu, że poziom energetyczny - powłoka elektronowa - jest zbiorem blisko rozmieszczonych składników - podpowłok. Aby scharakteryzować podpowłoki, wprowadzono jeszcze jedną wewnętrzną liczbę kwantową j, która odzwierciedla interakcję wewnętrznego i orbitalnego momentu magnetycznego elektronu.
Pod wpływem oddziaływania spin-orbita struktura energetyczna atomu staje się bardziej skomplikowana, w wyniku czego charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo, które charakteryzuje się liniami podziału z bardzo blisko rozmieszczonymi pierwiastkami.
Elementy struktury drobnoziarnistej są zwykle oznaczane dodatkowymi indeksami cyfrowymi.
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma cechę, która znajduje odzwierciedlenie jedynie w drobnej strukturze widma. Przejście elektronu na najniższy poziom energetyczny nie następuje z dolnej podpowłoki poziomu nad nim. Takie zdarzenie ma znikome prawdopodobieństwo.
Promieniowanie to, ze względu na swoje cechy opisane prawem Moseleya, leży u podstaw różnych rentgenowskich metod spektralnych do analizy substancji. Do analizy widma rentgenowskiego wykorzystuje się albo dyfrakcję promieniowania na kryształach (metoda falowo-dyspersyjna), albo detektory czułe na energię pochłoniętych fotonów promieniowania rentgenowskiego (metoda dyspersyjna energetyczna). Większość mikroskopów elektronowych jest wyposażona w jakąś formę przystawki do spektrometrii rentgenowskiej.
Spektrometria falowo-dyspersyjna charakteryzuje się szczególnie wysoką dokładnością. Za pomocą specjalnych filtrów wybierane są najintensywniejsze piki w widmie, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie promieniowania niemal monochromatycznego o dokładnie znanej częstotliwości. Materiał anody jest wybierany bardzo starannie, aby zapewnić uzyskanie monochromatycznej wiązki o pożądanej częstotliwości. Jego dyfrakcja na siatce krystalicznej badanej substancji umożliwia badanie struktury sieci z dużą dokładnością. Ta metoda jest również stosowana w badaniu DNA i innych złożonych cząsteczek.
Jedna z cech charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego jest również uwzględniana w spektrometrii gamma. Jest to duża intensywność charakterystycznych pików. Spektrometry gamma wykorzystują ołowianą osłonę przed zewnętrznym promieniowaniem tła, które zakłóca pomiary. Ale ołów, pochłaniając kwanty gamma, ulega wewnętrznej jonizacji, w wyniku czego aktywnie emituje promieniowanie rentgenowskie. Dodatkowa osłona kadmu służy do pochłaniania intensywnych pików charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z ołowiu. Ten z kolei jest zjonizowany, a także emituje promieniowanie rentgenowskie. Do zneutralizowania charakterystycznych pików kadmu stosowana jest trzecia warstwa ekranująca - miedź, której maksima rentgenowskie leżą poza zakresem częstotliwości pracy spektrometru gamma.
Spektrometria wykorzystuje zarówno promieniowanie bremsstrahlung, jak i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Tak więc w analizie substancji badane są widma absorpcji ciągłego promieniowania rentgenowskiego przez różne substancje.
Odkrycie i zasługa w badaniu podstawowych właściwości promieni rentgenowskich słusznie należy do niemieckiego naukowca Wilhelma Conrada Roentgena. Odkryte przez niego niesamowite właściwości promieni rentgenowskich natychmiast spotkały się z ogromnym odzewem w świecie naukowym. Chociaż wtedy, w 1895 roku, naukowiec nie mógł sobie wyobrazić, jakie korzyści, a czasem szkody, mogą przynieść promienie rentgenowskie.
Dowiedzmy się w tym artykule, jak ten rodzaj promieniowania wpływa na zdrowie człowieka.
Pierwszym pytaniem, które zainteresowało badacza, było to, czym jest promieniowanie rentgenowskie? Szereg eksperymentów pozwoliło zweryfikować, że jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 10-8 cm, które zajmuje pozycję pośrednią między promieniowaniem ultrafioletowym a promieniowaniem gamma.
Wszystkie te aspekty destrukcyjnego działania tajemniczego promieniowania rentgenowskiego wcale nie wykluczają zaskakująco rozległych aspektów ich zastosowania. Gdzie stosuje się promieniowanie rentgenowskie?
Najważniejsze zastosowania promieni rentgenowskich stały się możliwe dzięki bardzo krótkim długościom fal w całym zakresie tych fal i ich unikalnym właściwościom.
Ponieważ interesuje nas wpływ promieni rentgenowskich na osoby, które stykają się z nimi tylko podczas badania lekarskiego lub leczenia, to zajmiemy się tylko tym obszarem zastosowania promieni rentgenowskich.
Pomimo szczególnego znaczenia jego odkrycia, Roentgen nie wykupił patentu na jego zastosowanie, co czyni go nieocenionym darem dla całej ludzkości. Już w I wojnie światowej zaczęto stosować aparaty rentgenowskie, które umożliwiały szybkie i dokładne diagnozowanie rannych. Obecnie możemy wyróżnić dwa główne obszary zastosowań promieni rentgenowskich w medycynie:
Diagnostyka rentgenowska jest stosowana w różnych opcjach:
Przyjrzyjmy się różnicy między tymi metodami.
Wszystkie powyższe metody diagnostyczne opierają się na zdolności promieni rentgenowskich do oświetlania kliszy fotograficznej oraz na różnej ich przepuszczalności do tkanek i szkieletu kostnego.
Zdolność promieniowania rentgenowskiego do biologicznego działania na tkanki jest wykorzystywana w medycynie do leczenia nowotworów. Działanie jonizujące tego promieniowania najaktywniej przejawia się w działaniu na szybko dzielące się komórki, którymi są komórki nowotworów złośliwych.
Jednak należy również być świadomym skutki uboczne które nieuchronnie towarzyszą radioterapii. Faktem jest, że komórki układu krwiotwórczego, hormonalnego i odpornościowego również szybko się dzielą. Negatywny wpływ na nie powoduje objawy choroby popromiennej.
Wkrótce po niezwykłym odkryciu promieni rentgenowskich odkryto, że mają one wpływ na ludzi.
Dane te uzyskano w doświadczeniach na zwierzętach doświadczalnych, jednak genetycy sugerują, że podobne efekty mogą dotyczyć organizmu człowieka.
Badanie skutków narażenia na promieniowanie rentgenowskie doprowadziło do opracowania międzynarodowych standardów dopuszczalnych dawek promieniowania.
Po wizycie w gabinecie RTG wielu pacjentów martwi się – jak otrzymana dawka promieniowania wpłynie na ich zdrowie?
Dawka napromieniania ogólnego organizmu zależy od charakteru zabiegu. Dla wygody porównamy otrzymaną dawkę z naturalną ekspozycją, która towarzyszy człowiekowi przez całe życie.
Te dawki promieniowania spełniają dopuszczalne normy, ale jeśli pacjent czuje niepokój przed zdjęciem, ma prawo poprosić o specjalny fartuch ochronny.
Każda osoba musi wielokrotnie przechodzić badanie rentgenowskie. Ale jest zasada - tej metody diagnostycznej nie można przepisać kobietom w ciąży. Rozwijający się zarodek jest wyjątkowo wrażliwy. Promienie rentgenowskie mogą powodować nieprawidłowości chromosomalne, aw rezultacie narodziny dzieci z wadami rozwojowymi. Najbardziej narażony pod tym względem jest wiek ciążowy do 16 tygodni. Ponadto najbardziej niebezpieczne dla przyszłego dziecka jest prześwietlenie kręgosłupa, miednicy i okolic brzucha.
Wiedząc o szkodliwym wpływie promieni rentgenowskich na ciążę, lekarze na wszelkie możliwe sposoby unikają ich stosowania w tym przełomowym okresie życia kobiety.
Istnieją jednak boczne źródła promieniowania rentgenowskiego:
Przyszłe matki powinny być świadome niebezpieczeństwa, jakie stwarzają.
Dla matek karmiących radiodiagnostyka nie jest niebezpieczna.
Aby uniknąć nawet minimalnych skutków ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, można podjąć kilka prostych kroków:
Ale żadne procedury medyczne ani specjalne środki nie są wymagane do usunięcia promieniowania po prześwietleniu!
Pomimo niewątpliwie poważnych konsekwencji ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie, nie należy przeceniać ich niebezpieczeństwa podczas badań lekarskich – przeprowadza się je tylko w określonych obszarach ciała i to bardzo szybko. Korzyści z nich wielokrotnie przewyższają ryzyko tej procedury dla ludzkiego organizmu.
W 1895 roku niemiecki fizyk W. Roentgen odkrył nowy, nieznany wcześniej rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, który na cześć jego odkrywcy nazwano promieniowaniem rentgenowskim. W. Roentgen został autorem swojego odkrycia w wieku 50 lat, piastując stanowisko rektora Uniwersytetu w Würzburgu i ciesząc się opinią jednego z najlepszych eksperymentatorów swoich czasów. Jednym z pierwszych, który znalazł techniczne zastosowanie dla odkrycia Roentgena, był amerykański Edison. Stworzył wygodny aparat demonstracyjny i już w maju 1896 roku zorganizował w Nowym Jorku wystawę rentgenowską, na której zwiedzający mogli obejrzeć własną rękę na świecącym ekranie. Po tym, jak asystent Edisona zmarł w wyniku poważnych oparzeń, jakich doznał podczas ciągłych demonstracji, wynalazca zaprzestał dalszych eksperymentów z promieniowaniem rentgenowskim.
Promieniowanie rentgenowskie zaczęto stosować w medycynie ze względu na jego dużą zdolność przenikania. Początkowo promienie rentgenowskie wykorzystywano do badania złamań kości i lokalizowania ciał obcych w organizmie człowieka. Obecnie istnieje kilka metod opartych na promieniach rentgenowskich. Ale te metody mają swoje wady: promieniowanie może spowodować głębokie uszkodzenie skóry. Pojawiające się wrzody często przeradzały się w raka. W wielu przypadkach trzeba było amputować palce lub dłonie. fluoroskopia(synonim półprzezroczystości) jest jedną z głównych metod badania rentgenowskiego, która polega na uzyskaniu płaskiego pozytywnego obrazu badanego obiektu na półprzezroczystym (fluorescencyjnym) ekranie. Podczas fluoroskopii pacjent znajduje się między półprzezroczystym ekranem a lampą rentgenowską. Na nowoczesnych półprzezroczystych ekranach rentgenowskich obraz pojawia się w momencie włączenia lampy rentgenowskiej i znika natychmiast po jej wyłączeniu. Fluoroskopia umożliwia badanie funkcji narządu - pulsacji serca, ruchów oddechowych żeber, płuc, przepony, perystaltyki przewodu pokarmowego itp. Fluoroskopię stosuje się w leczeniu chorób żołądka, przewodu pokarmowego, dwunastnicy, chorobach wątroby, pęcherzyka żółciowego i dróg żółciowych. Jednocześnie sonda medyczna i manipulatory wprowadzane są bez uszkodzenia tkanek, a czynności podczas zabiegu kontrolowane są za pomocą fluoroskopii i są widoczne na monitorze.
Radiografia - metoda diagnostyki rentgenowskiej z rejestracją utrwalonego obrazu na materiale światłoczułym - specjalna. klisza fotograficzna (klisza rentgenowska) lub papier fotograficzny z późniejszą obróbką zdjęć; W radiografii cyfrowej obraz jest utrwalany w pamięci komputera. Wykonywany jest na aparatach rentgenodiagnostycznych – stacjonarnych, instalowanych w specjalnie wyposażonych pracowniach rentgenowskich lub mobilnych i przenośnych – przy łóżku pacjenta lub na sali operacyjnej. Na radiogramach elementy struktur różnych narządów są wyświetlane znacznie wyraźniej niż na ekranie fluorescencyjnym. Radiografia jest wykonywana w celu wykrywania i zapobiegania różnym chorobom, jej głównym celem jest pomoc lekarzom różnych specjalności w prawidłowym i szybkim postawieniu diagnozy. Zdjęcie rentgenowskie rejestruje stan narządu lub tkanki tylko w momencie naświetlenia. Jednak pojedynczy radiogram rejestruje tylko zmiany anatomiczne w danym momencie, podaje statykę procesu; poprzez serię zdjęć rentgenowskich wykonanych w określonych odstępach czasu można zbadać dynamikę procesu, czyli zmiany funkcjonalne. Tomografia. Słowo tomografia można przetłumaczyć z greckiego jako obraz plasterka. Oznacza to, że celem tomografii jest uzyskanie warstwowego obrazu wewnętrznej struktury przedmiotu badań. Tomografia komputerowa charakteryzuje się wysoką rozdzielczością, co pozwala na wykrycie subtelnych zmian w tkankach miękkich. Tomografia komputerowa pozwala na wykrycie takich procesów patologicznych, których nie można wykryć innymi metodami. Ponadto zastosowanie tomografii komputerowej pozwala na zmniejszenie dawki promieniowania rentgenowskiego, jakie otrzymują pacjenci w trakcie procesu diagnostycznego.
Fluorografia- metoda diagnostyczna, która pozwala uzyskać obraz narządów i tkanek, została opracowana pod koniec XX wieku, rok po odkryciu promieni rentgenowskich. Na zdjęciach widać stwardnienie, zwłóknienie, ciała obce, nowotwory, stany zapalne, które mają rozwinięty stopień, obecność gazów i nacieków w jamach, ropnie, cysty i tak dalej. Najczęściej wykonuje się prześwietlenie klatki piersiowej, które pozwala wykryć gruźlicę, nowotwór złośliwy w płucach lub klatce piersiowej oraz inne patologie.
Terapia rentgenowska- Jest to nowoczesna metoda, za pomocą której przeprowadza się leczenie niektórych patologii stawów. Główne kierunki leczenia schorzeń ortopedycznych tą metodą to: Przewlekłe. Procesy zapalne stawów (zapalenie stawów, zapalenie wielostawowe); Zwyrodnieniowe (choroba zwyrodnieniowa stawów, osteochondroza, deformująca spondyloza). Cel radioterapii jest zahamowanie życiowej aktywności komórek patologicznie zmienionych tkanek lub ich całkowite zniszczenie. W chorobach nienowotworowych terapia rentgenowska ma na celu zahamowanie odczynu zapalnego, zahamowanie procesów proliferacyjnych, zmniejszenie wrażliwości bólowej i czynności wydzielniczej gruczołów. Należy pamiętać, że najbardziej wrażliwe na promieniowanie rentgenowskie są gruczoły płciowe, narządy krwiotwórcze, leukocyty i komórki nowotworów złośliwych. Dawkę promieniowania w każdym przypadku ustala się indywidualnie.
Za odkrycie promieni rentgenowskich Roentgen otrzymał w 1901 roku pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a Komitet Noblowski podkreślił praktyczne znaczenie jego odkrycia.
Zatem promienie rentgenowskie są niewidzialnym promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 105 - 102 nm. Promienie rentgenowskie mogą przenikać przez niektóre materiały, które są nieprzezroczyste dla światła widzialnego. Emitowane są podczas hamowania szybkich elektronów w materii (widmo ciągłe) oraz podczas przejść elektronów z zewnętrznych powłok elektronowych atomu do wewnętrznych (widmo liniowe). Źródłami promieniowania rentgenowskiego są: lampa rentgenowska, niektóre izotopy promieniotwórcze, akceleratory i akumulatory elektronów (promieniowanie synchrotronowe). Odbiorniki - klisza, ekrany luminescencyjne, detektory promieniowania jądrowego. Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w analizie dyfrakcji rentgenowskiej, medycynie, wykrywaniu wad, analizie spektralnej promieniowania rentgenowskiego itp.
Nie można sobie wyobrazić współczesnej diagnostyki medycznej i leczenia niektórych schorzeń bez urządzeń wykorzystujących właściwości promieni rentgenowskich. Odkrycie promieni rentgenowskich nastąpiło ponad 100 lat temu, ale nawet teraz trwają prace nad stworzeniem nowych metod i aparatury, aby zminimalizować negatywny wpływ promieniowania na organizm człowieka.
W warunkach naturalnych strumień promieniowania rentgenowskiego jest rzadki i jest emitowany tylko przez niektóre izotopy promieniotwórcze. Promienie rentgenowskie lub promienie rentgenowskie zostały odkryte dopiero w 1895 roku przez niemieckiego naukowca Wilhelma Röntgena. Odkrycie to nastąpiło przypadkowo, podczas eksperymentu mającego na celu zbadanie zachowania promieni świetlnych w warunkach zbliżonych do próżni. Eksperyment obejmował katodową lampę wyładowczą o obniżonym ciśnieniu i ekran fluorescencyjny, który każdorazowo zaczynał świecić w momencie, gdy lampa zaczynała działać.
Zainteresowany dziwnym efektem Roentgen przeprowadził szereg badań wykazujących, że powstające w ten sposób promieniowanie, niewidoczne dla oka, jest w stanie przeniknąć przez różne przeszkody: papier, drewno, szkło, niektóre metale, a nawet przez ludzkie ciało. Pomimo braku zrozumienia samej natury tego, co się dzieje, czy takie zjawisko jest spowodowane generowaniem strumienia nieznanych cząstek, czy fal, zauważono następujący schemat - promieniowanie łatwo przechodzi przez tkanki miękkie ciała, a znacznie trudniej przez żywe tkanki stałe i substancje nieożywione.
Roentgen nie był pierwszym, który badał to zjawisko. W połowie XIX wieku Francuz Antoine Mason i Anglik William Crookes badali podobne możliwości. Jednak to Roentgen jako pierwszy wynalazł lampę katodową i wskaźnik, który mógł być stosowany w medycynie. Jako pierwszy opublikował pracę naukową, co przyniosło mu tytuł pierwszego laureata Nagrody Nobla wśród fizyków.
W 1901 roku rozpoczęła się owocna współpraca między trzema naukowcami, którzy stali się ojcami założycielami radiologii i radiologii.
Promienie rentgenowskie są część całkowite widmo promieniowania elektromagnetycznego. Długość fali mieści się między promieniami gamma i ultrafioletowymi. Promienie rentgenowskie mają wszystkie typowe właściwości falowe:
Aby sztucznie wygenerować strumień promieniowania rentgenowskiego, stosuje się specjalne urządzenia - lampy rentgenowskie. Promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku kontaktu szybkich elektronów wolframu z substancjami odparowującymi z gorącej anody. Na tle oddziaływania powstają fale elektromagnetyczne o krótkiej długości, które mieszczą się w widmie od 100 do 0,01 nm iw zakresie energii 100-0,1 MeV. Jeśli długość fali promieni jest mniejsza niż 0,2 nm - jest to promieniowanie twarde, jeśli długość fali jest większa niż określona wartość, nazywane są miękkimi promieniami rentgenowskimi.
Znamienne jest, że energia kinetyczna powstająca w wyniku kontaktu elektronów z substancją anodową jest w 99% zamieniana na energię cieplną, a tylko 1% to promieniowanie rentgenowskie.
Promieniowanie rentgenowskie to superpozycja dwóch rodzajów promieni - bremsstrahlung i charakterystycznych. Są one generowane w słuchawce jednocześnie. Dlatego promieniowanie rentgenowskie i charakterystyka każdej konkretnej lampy rentgenowskiej - widmo jej promieniowania zależy od tych wskaźników i reprezentuje ich superpozycję.
Bremsstrahlung lub ciągłe promieniowanie rentgenowskie są wynikiem spowolnienia elektronów odparowujących z włókna wolframowego.
Charakterystyczne lub liniowe promienie rentgenowskie powstają w momencie przegrupowania atomów substancji anody lampy rentgenowskiej. Długość fali charakterystycznych promieni zależy bezpośrednio od liczby atomowej pierwiastka chemicznego użytego do wykonania anody rury.
Wymienione właściwości promieni rentgenowskich pozwalają na ich zastosowanie w praktyce:
Właściwością promieniowania rentgenowskiego, na której opiera się obrazowanie, jest zdolność do rozkładu lub powodowania świecenia niektórych substancji.
Promieniowanie rentgenowskie powoduje poświatę fluorescencyjną w siarczkach kadmu i cynku - kolor zielony, aw wolframianie wapnia - kolor niebieski. Ta właściwość jest wykorzystywana w technice medycznej transiluminacji rentgenowskiej, a także zwiększa funkcjonalność ekranów rentgenowskich.
Fotochemiczne oddziaływanie promieni rentgenowskich na światłoczułe materiały halogenku srebra (oświetlenie) umożliwia prowadzenie diagnostyki - wykonywanie zdjęć rentgenowskich. Właściwość ta jest również wykorzystywana do pomiaru wielkości dawki całkowitej, jaką asystenci laboratoryjni otrzymują w pracowniach rentgenowskich. Dozymetry do noszenia mają specjalne czułe taśmy i wskaźniki. Działanie jonizujące promieniowania rentgenowskiego umożliwia określenie jakościowej charakterystyki otrzymanych promieni rentgenowskich.
Pojedyncza ekspozycja na konwencjonalne promieniowanie rentgenowskie zwiększa ryzyko raka tylko o 0,001%.
Wykorzystanie promieni rentgenowskich jest dopuszczalne w następujących branżach:
Główne zastosowanie promieni rentgenowskich znajduje się w medycynie. Obecnie dział radiologii medycznej obejmuje: radiodiagnostykę, radioterapię (rentgenoterapię), radiochirurgię. Uczelnie medyczne kształcą wysoko wyspecjalizowanych specjalistów - radiologów.
Duża siła przenikania i działanie jonizujące promieni rentgenowskich może powodować zmianę struktury DNA komórki, dlatego jest niebezpieczna dla człowieka. Szkodliwość promieniowania rentgenowskiego jest wprost proporcjonalna do otrzymanej dawki promieniowania. Różne narządy reagują na napromienianie w różnym stopniu. Do najbardziej podatnych należą:
Niekontrolowane stosowanie promieniowania rentgenowskiego może spowodować odwracalne i nieodwracalne patologie.
Konsekwencje ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie:
Ważny! W przeciwieństwie do substancji radioaktywnych, promienie rentgenowskie nie kumulują się w tkankach organizmu, co oznacza, że nie ma potrzeby usuwania promieni rentgenowskich z organizmu. Szkodliwe działanie promieni rentgenowskich kończy się wraz z wyłączeniem urządzenia medycznego.
Wykorzystanie promieni rentgenowskich w medycynie jest dopuszczalne nie tylko w celach diagnostycznych (traumatologia, stomatologia), ale także w celach terapeutycznych:
Radiodiagnostyka obejmuje następujące metody:
Terapia rentgenowska odnosi się do lokalnych metod leczenia. Najczęściej metodę stosuje się do niszczenia komórek nowotworowych. Ponieważ efekt narażenia jest porównywalny z usunięciem chirurgicznym, ta metoda leczenia jest często nazywana radiochirurgią.
Obecnie leczenie rentgenowskie odbywa się w następujący sposób:
Metody te są delikatne, a ich stosowanie jest w niektórych przypadkach lepsze niż chemioterapia. Taka popularność wynika z faktu, że promienie nie kumulują się i nie wymagają usuwania z organizmu, działają selektywnie, nie wpływając na inne komórki i tkanki.
Ten wskaźnik normy dopuszczalnej rocznej ekspozycji ma swoją własną nazwę - genetycznie istotną dawkę równoważną (GED). Nie ma wyraźnych wartości ilościowych dla tego wskaźnika.
Obecnie obowiązują następujące średnie normy GZD:
Promieniowanie rentgenowskie nie wymaga wydalania z organizmu i jest niebezpieczne tylko w przypadku intensywnej i długotrwałej ekspozycji. Współczesna aparatura medyczna wykorzystuje promieniowanie niskoenergetyczne o krótkim czasie trwania, dlatego jego użycie jest uważane za stosunkowo nieszkodliwe.
Chociaż naukowcy odkryli działanie promieni rentgenowskich dopiero od lat 90. XIX wieku, zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie w przypadku tej naturalnej siły szybko minęło. Dziś dla dobra ludzkości elektromagnetyczne promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane w medycynie, środowisku akademickim i przemyśle, a także do wytwarzania energii elektrycznej.
Ponadto promieniowanie ma przydatne zastosowania w takich dziedzinach, jak rolnictwo, archeologia, kosmos, organy ścigania, geologia (w tym górnictwo) i wiele innych dziedzin, nawet samochody są opracowywane z wykorzystaniem zjawiska rozszczepienia jądrowego.
W placówkach opieki zdrowotnej lekarze i dentyści wykorzystują różnorodne materiały i procedury jądrowe do diagnozowania, monitorowania i leczenia szerokiego zakresu procesów metabolicznych i chorób w organizmie człowieka. W rezultacie procedury medyczne z wykorzystaniem promieni uratowały tysiące istnień ludzkich, identyfikując i lecząc różne schorzenia, od nadczynności tarczycy po raka kości.
Najczęstsze z tych procedur medycznych obejmują użycie promieni, które mogą przechodzić przez naszą skórę. Podczas robienia zdjęcia nasze kości i inne struktury wydają się rzucać cienie, ponieważ są gęstsze niż nasza skóra, a cienie te można wykryć na kliszy lub na ekranie monitora. Efekt jest podobny do włożenia ołówka między kartkę papieru a światło. Cień ołówka będzie widoczny na kartce papieru. Różnica polega na tym, że promienie są niewidoczne, więc potrzebny jest element rejestrujący, coś w rodzaju kliszy fotograficznej. Pozwala to lekarzom i dentystom ocenić zastosowanie promieni rentgenowskich, widząc złamane kości lub problemy z zębami.
Wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego w sposób celowy do celów medycznych, a nie tylko do wykrywania uszkodzeń. Kiedy jest stosowany konkretnie, ma na celu zabicie tkanki rakowej, zmniejszenie rozmiaru guza lub złagodzenie bólu. Na przykład radioaktywny jod (szczególnie jod-131) jest często stosowany w leczeniu raka tarczycy, stanu, na który cierpi wiele osób.
Urządzenia wykorzystujące tę właściwość są również podłączane do komputerów i skanują, zwane: tomografią komputerową osiową lub tomografią komputerową.
Instrumenty te zapewniają lekarzom kolorowy obraz przedstawiający kontury i szczegóły narządów wewnętrznych. Pomaga to lekarzom wykrywać i identyfikować guzy, nieprawidłowe rozmiary lub inne fizjologiczne lub funkcjonalne problemy z narządami.
Ponadto szpitale i ośrodki radiologiczne wykonują rocznie miliony zabiegów. Podczas takich procedur lekarze wstrzykują do organizmu pacjentów lekko radioaktywne substancje, aby przyjrzeć się niektórym narządom wewnętrznym, takim jak trzustka, nerki, tarczyca, wątroba lub mózg, w celu zdiagnozowania stanów klinicznych.
