RADIAÇÃO DE RAIOS X
radiação de raios-x ocupa a região do espectro eletromagnético entre a radiação gama e ultravioleta e é a radiação eletromagnética com um comprimento de onda de 10 -14 a 10 -7 m. A radiação de raios X com um comprimento de onda de 5 x 10 -12 a 2,5 x 10 -10 é usada na medicina m, ou seja, 0,05 - 2,5 angstrom e, na verdade, para diagnósticos de raios-X - 0,1 angstrom. A radiação é um fluxo de quanta (fótons) que se propaga em linha reta na velocidade da luz (300.000 km/s). Esses quanta não têm carga elétrica. A massa de um quantum é uma parte insignificante da unidade de massa atômica.
energia quântica medido em Joules (J), mas na prática eles costumam usar uma unidade fora do sistema "elétron-volt" (eV) . Um elétron-volt é a energia que um elétron adquire quando passa por uma diferença de potencial de 1 volt em um campo elétrico. 1 eV \u003d 1,6 10 ~ 19 J. Os derivados são um quiloelétron volt (keV), igual a mil eV, e um megaelétron volt (MeV), igual a um milhão de eV.
Os raios X são obtidos usando tubos de raios X, aceleradores lineares e betatrons. Em um tubo de raios X, a diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo alvo (dezenas de quilovolts) acelera os elétrons que bombardeiam o ânodo. A radiação de raios-X surge quando os elétrons rápidos desaceleram no campo elétrico dos átomos da substância anódica (bremsstrahlung) ou ao reorganizar as camadas internas dos átomos (radiação característica) . Raios-X característicos tem um caráter discreto e ocorre quando os elétrons dos átomos da substância anódica passam de um nível de energia para outro sob a influência de elétrons externos ou quanta de radiação. Raio X de Bremsstrahlung tem um espectro contínuo, dependendo da tensão do ânodo no tubo de raios-x. Ao desacelerar no material do ânodo, os elétrons gastam a maior parte de sua energia no aquecimento do ânodo (99%) e apenas uma pequena fração (1%) é convertida em energia de raios-X. No diagnóstico de raios X, o bremsstrahlung é usado com mais frequência.
As propriedades básicas dos raios X são características de toda radiação eletromagnética, mas existem algumas características. Os raios X têm as seguintes propriedades:
- invisibilidade - as células sensíveis da retina humana não reagem aos raios X, pois seu comprimento de onda é milhares de vezes menor que o da luz visível;
- propagação retilínea - os raios são refratados, polarizados (propagados em um determinado plano) e difratados, como a luz visível. O índice de refração difere muito pouco da unidade;
- poder de penetração - penetrar sem absorção significativa através de camadas significativas de uma substância que é opaca à luz visível. Quanto menor o comprimento de onda, maior o poder de penetração dos raios X;
- absorção - tem a capacidade de ser absorvido pelos tecidos do corpo, esta é a base de todos os diagnósticos de raios-x. A capacidade de absorção depende da gravidade específica dos tecidos (quanto mais, maior a absorção); na espessura do objeto; na dureza da radiação;
- ação fotográfica - decompor os compostos de haleto de prata, inclusive os encontrados em emulsões fotográficas, o que possibilita a obtenção de raios-x;
- efeito luminescente - causam a luminescência de vários compostos químicos (fósforos), esta é a base da técnica de transmissão de raios-X. A intensidade do brilho depende da estrutura da substância fluorescente, sua quantidade e distância da fonte de raios-x. Os fósforos são utilizados não só para obter uma imagem dos objetos em estudo em uma tela fluoroscópica, mas também na radiografia, onde permitem aumentar a exposição à radiação de um filme radiográfico em um cassete devido ao uso de telas intensificadoras, o camada superficial da qual é feita de substâncias fluorescentes;
- ação de ionização - têm a capacidade de causar o decaimento de átomos neutros em partículas carregadas positivamente e negativamente, a dosimetria é baseada nisso. O efeito da ionização de qualquer meio é a formação de íons positivos e negativos nele, bem como elétrons livres de átomos neutros e moléculas de uma substância. A ionização do ar na sala de raios-X durante a operação do tubo de raios-X leva a um aumento na condutividade elétrica do ar, um aumento nas cargas elétricas estáticas nos objetos do gabinete. Para eliminar uma influência tão indesejável deles nas salas de raios-X, é fornecido suprimento forçado e ventilação de exaustão;
- ação biológica - têm impacto em objetos biológicos, na maioria dos casos esse impacto é prejudicial;
- lei do inverso quadrado - para uma fonte pontual de radiação de raios-X, a intensidade diminui proporcionalmente ao quadrado da distância à fonte.
A medicina moderna usa muitos médicos para diagnóstico e terapia. Alguns deles foram usados há relativamente pouco tempo, enquanto outros são praticados há mais de uma dúzia ou mesmo centenas de anos. Além disso, cento e dez anos atrás, William Conrad Roentgen descobriu os incríveis raios-X, que causaram uma ressonância significativa no mundo científico e médico. E agora médicos de todo o planeta os usam em sua prática. O tema da nossa conversa de hoje será os raios X na medicina, discutiremos sua aplicação com um pouco mais de detalhes.
Os raios X são uma das variedades de radiação eletromagnética. Eles são caracterizados por qualidades de penetração significativas, que dependem do comprimento de onda da radiação, bem como da densidade e espessura dos materiais irradiados. Além disso, os raios X podem causar o brilho de várias substâncias, afetar organismos vivos, ionizar átomos e também catalisar algumas reações fotoquímicas.
O uso de raios X na medicina
Até o momento, as propriedades dos raios-x permitem que eles sejam amplamente utilizados em diagnósticos de raios-x e terapia de raios-x.
diagnóstico de raio-x
O diagnóstico de raios-X é usado ao realizar:
Raio X (transmissão);
- radiografia (imagem);
- fluorografia;
- Radiografia e tomografia computadorizada.
Fluoroscopia
Para realizar tal estudo, o paciente precisa se posicionar entre o tubo de raios X e uma tela fluorescente especial. Um radiologista especialista seleciona a dureza necessária dos raios X, recebendo na tela uma imagem dos órgãos internos, bem como das costelas.
Radiografia
Para este estudo, o paciente é colocado em um cassete contendo um filme especial. A máquina de raios X é colocada diretamente acima do objeto. Como resultado, uma imagem negativa dos órgãos internos aparece no filme, que contém vários detalhes finos, mais detalhados do que durante um exame fluoroscópico.
Fluorografia
Este estudo é realizado durante exames médicos em massa da população, inclusive para detecção de tuberculose. Ao mesmo tempo, uma imagem de uma tela grande é projetada em um filme especial.
Tomografia
Ao realizar a tomografia, os feixes de computador ajudam a obter imagens de órgãos em vários lugares ao mesmo tempo: em seções transversais de tecido especialmente selecionadas. Esta série de raios-x é chamada de tomograma.
tomografia computadorizada
Tal estudo permite registrar seções do corpo humano usando um scanner de raios-X. Depois que os dados são inseridos no computador, obtém-se uma imagem em corte transversal.
Cada um dos métodos de diagnóstico listados é baseado nas propriedades do feixe de raios X para iluminar o filme, bem como no fato de que os tecidos humanos e o esqueleto ósseo diferem em diferentes permeabilidades aos seus efeitos.
radioterapia
A capacidade dos raios X de influenciar de uma maneira especial no tecido é usado para o tratamento de formações tumorais. Ao mesmo tempo, as qualidades ionizantes dessa radiação são especialmente perceptíveis ativamente quando expostas a células capazes de rápida divisão. São essas qualidades que distinguem as células das formações oncológicas malignas.
No entanto, vale a pena notar que a terapia de raios-X pode causar muitos problemas graves efeitos colaterais. Tal impacto afeta agressivamente o estado dos sistemas hematopoiético, endócrino e imunológico, cujas células também se dividem muito rapidamente. A influência agressiva sobre eles pode causar sinais de doença de radiação.
O efeito da radiação de raios-X em humanos
Durante o estudo dos raios-x, os médicos descobriram que eles podem levar a alterações na pele que se assemelham a queimaduras solares, mas são acompanhadas por danos mais profundos à pele. Essas úlceras curam por muito tempo. Os cientistas descobriram que tais lesões podem ser evitadas reduzindo o tempo e a dose de radiação, bem como usando métodos especiais de blindagem e controle remoto.
A influência agressiva dos raios X também pode se manifestar a longo prazo: mudanças temporárias ou permanentes na composição do sangue, suscetibilidade à leucemia e envelhecimento precoce.
O efeito dos raios X em uma pessoa depende de muitos fatores: em qual órgão é irradiado e por quanto tempo. A irradiação dos órgãos hematopoiéticos pode levar a doenças do sangue e a exposição aos órgãos genitais pode levar à infertilidade.
A realização de irradiação sistemática está repleta de desenvolvimento de alterações genéticas no corpo.
O dano real de raios-x em diagnósticos de raios-x
Durante o exame, os médicos usam a quantidade mínima possível de raios-x. Todas as doses de radiação atendem a certos padrões aceitáveis e não podem prejudicar uma pessoa. O diagnóstico por raios X representa um perigo significativo apenas para os médicos que o realizam. E então os métodos modernos de proteção ajudam a reduzir ao mínimo a agressão dos raios.
Os métodos mais seguros de radiodiagnóstico incluem radiografia das extremidades, bem como radiografias dentárias. No próximo lugar desta classificação está a mamografia, seguida da tomografia computadorizada e depois da radiografia.
Para que o uso de raios-X na medicina traga apenas benefícios para uma pessoa, é necessário realizar pesquisas com a ajuda deles apenas de acordo com as indicações.
Os raios X são um tipo de radiação eletromagnética de alta energia. É usado ativamente em vários ramos da medicina.
Os raios X são ondas eletromagnéticas cuja energia do fóton na escala das ondas eletromagnéticas está entre a radiação ultravioleta e a radiação gama (de ~10 eV a ~1 MeV), que corresponde a comprimentos de onda de ~10^3 a ~10^−2 angstroms ( de ~10^−7 a ~10^−12 m). Ou seja, é uma radiação incomparavelmente mais dura do que a luz visível, que está nessa escala entre os raios ultravioleta e infravermelho (“térmicos”).
A fronteira entre os raios X e a radiação gama é diferenciada condicionalmente: seus alcances se cruzam, os raios gama podem ter uma energia de 1 keV. Eles diferem em origem: os raios gama são emitidos durante processos que ocorrem em núcleos atômicos, enquanto os raios X são emitidos durante processos envolvendo elétrons (tanto livres quanto aqueles nas camadas eletrônicas dos átomos). Ao mesmo tempo, é impossível determinar a partir do próprio fóton durante qual processo ele surgiu, ou seja, a divisão nas faixas de raios-X e gama é amplamente arbitrária.
A gama de raios-X é dividida em "raios-X moles" e "duras". O limite entre eles está no nível de comprimento de onda de 2 angstroms e 6 keV de energia.
O gerador de raios-X é um tubo no qual um vácuo é criado. Existem eletrodos - um cátodo, ao qual é aplicada uma carga negativa, e um ânodo carregado positivamente. A voltagem entre eles é de dezenas a centenas de quilovolts. A geração de fótons de raios X ocorre quando os elétrons “se desprendem” do cátodo e colidem com a superfície do ânodo em alta velocidade. A radiação de raios-X resultante é chamada de “bremsstrahlung”, seus fótons têm diferentes comprimentos de onda.
Ao mesmo tempo, os fótons do espectro característico são gerados. Parte dos elétrons nos átomos da substância anódica é excitada, ou seja, vai para órbitas mais altas e depois volta ao seu estado normal, emitindo fótons de um determinado comprimento de onda. Ambos os tipos de raios X são produzidos em um gerador padrão.
Em 8 de novembro de 1895, o cientista alemão Wilhelm Konrad Roentgen descobriu que algumas substâncias, sob a influência de "raios catódicos", ou seja, o fluxo de elétrons gerado por um tubo de raios catódicos, começam a brilhar. Ele explicou esse fenômeno pela influência de certos raios-X - então ("raios-X") essa radiação agora é chamada em muitos idiomas. Mais tarde, V.K. Roentgen estudou o fenômeno que havia descoberto. Em 22 de dezembro de 1895, ele deu uma palestra sobre o assunto na Universidade de Würzburg.
Mais tarde, descobriu-se que a radiação de raios-X já havia sido observada antes, mas os fenômenos associados a ela não receberam muita importância. O tubo de raios catódicos foi inventado há muito tempo, mas antes de V.K. Raio-X, ninguém prestou muita atenção ao escurecimento das chapas fotográficas próximas a ele, etc. fenômenos. O perigo representado pela radiação penetrante também era desconhecido.
“Raio-X” é o tipo mais suave de radiação penetrante. A superexposição a raios-x suaves é semelhante à exposição ultravioleta, mas de uma forma mais severa. Uma queimadura se forma na pele, mas a lesão é mais profunda e cicatriza muito mais lentamente.
O raio X rígido é uma radiação ionizante completa que pode levar à doença da radiação. Os quanta de raios X podem quebrar as moléculas de proteína que compõem os tecidos do corpo humano, bem como as moléculas de DNA do genoma. Mas mesmo que um quantum de raios X quebre uma molécula de água, não importa: nesse caso, formam-se os radicais livres quimicamente ativos H e OH, que são capazes de agir sobre proteínas e DNA. A doença da radiação prossegue de forma mais grave, quanto mais os órgãos hematopoiéticos são afetados.
Os raios X têm atividade mutagênica e carcinogênica. Isso significa que a probabilidade de mutações espontâneas nas células durante a irradiação aumenta e, às vezes, células saudáveis podem degenerar em células cancerígenas. Aumentar a probabilidade de tumores malignos é uma consequência padrão de qualquer exposição, incluindo raios-x. Os raios X são o tipo menos perigoso de radiação penetrante, mas ainda podem ser perigosos.
A radiação de raios X é usada na medicina, bem como em outras áreas da atividade humana.
A aplicação mais comum dos raios X é a fluoroscopia. A "transiluminação" do corpo humano permite obter uma imagem detalhada dos ossos (eles são mais claramente visíveis) e imagens dos órgãos internos.
A transparência diferente dos tecidos do corpo em raios-x está associada à sua composição química. Características da estrutura dos ossos é que eles contêm muito cálcio e fósforo. Outros tecidos são compostos principalmente de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. O átomo de fósforo excede o peso do átomo de oxigênio quase duas vezes e o átomo de cálcio - 2,5 vezes (carbono, nitrogênio e hidrogênio são ainda mais leves que o oxigênio). Nesse sentido, a absorção de fótons de raios X nos ossos é muito maior.
Além das “fotos” bidimensionais, a radiografia permite criar uma imagem tridimensional de um órgão: esse tipo de radiografia é chamado de tomografia computadorizada. Para esses fins, são utilizados raios-x suaves. A quantidade de exposição recebida em uma única imagem é pequena: é aproximadamente igual à exposição recebida durante um voo de 2 horas em um avião a uma altitude de 10 km.
A detecção de falhas por raios X permite detectar pequenos defeitos internos nos produtos. Raios-x duros são usados para isso, já que muitos materiais (metal, por exemplo) são pouco “translúcidos” devido à alta massa atômica de sua substância constituinte.
Os raios X têm propriedades que permitem examinar átomos individuais em detalhes. A análise de difração de raios X é usada ativamente em química (incluindo bioquímica) e cristalografia. O princípio de sua operação é a dispersão por difração de raios X por átomos de cristais ou moléculas complexas. Usando análise de difração de raios-X, a estrutura da molécula de DNA foi determinada.
A análise de fluorescência de raios-X permite determinar rapidamente composição química substâncias.
Existem muitas formas de radioterapia, mas todas envolvem o uso de radiação ionizante. A radioterapia é dividida em 2 tipos: corpuscular e ondulatória. Corpuscular usa fluxos de partículas alfa (núcleos de átomos de hélio), partículas beta (elétrons), nêutrons, prótons, íons pesados. Wave usa raios do espectro eletromagnético - raios-x e gama.
Os métodos de radioterapia são utilizados principalmente para o tratamento de doenças oncológicas. O fato é que a radiação afeta principalmente as células em divisão ativa, razão pela qual os órgãos hematopoiéticos sofrem dessa forma (suas células estão em constante divisão, produzindo cada vez mais novos glóbulos vermelhos). As células cancerígenas também estão em constante divisão e são mais vulneráveis à radiação do que o tecido saudável.
É usado um nível de radiação que suprime a atividade das células cancerígenas, enquanto afeta moderadamente as saudáveis. Sob a influência da radiação, não é a destruição das células como tal, mas o dano ao seu genoma - moléculas de DNA. Uma célula com o genoma destruído pode existir por algum tempo, mas não pode mais se dividir, ou seja, o crescimento do tumor para.
A radioterapia é a forma mais branda de radioterapia. A radiação das ondas é mais suave do que a radiação corpuscular, e os raios X são mais suaves do que a radiação gama.
É perigoso usar radiação ionizante durante a gravidez. Os raios X são mutagênicos e podem causar anormalidades no feto. A radioterapia é incompatível com a gravidez: só pode ser usada se já tiver sido decidido fazer um aborto. As restrições à fluoroscopia são mais brandas, mas nos primeiros meses também é estritamente proibida.
Em caso de emergência, o exame de raio-X é substituído por ressonância magnética. Mas no primeiro trimestre eles também tentam evitá-lo (esse método apareceu recentemente e com certeza absoluta para falar sobre a ausência de consequências prejudiciais).
Um perigo inequívoco surge quando exposto a uma dose total de pelo menos 1 mSv (em unidades antigas - 100 mR). Com um raio-x simples (por exemplo, ao fazer fluorografia), o paciente recebe cerca de 50 vezes menos. Para receber essa dose de cada vez, você precisa passar por uma tomografia computadorizada detalhada.
Ou seja, o mero fato de um “raio-X” de 1 a 2 vezes no estágio inicial da gravidez não ameaça consequências graves (mas é melhor não arriscar).
Os raios X são usados principalmente na luta contra tumores malignos. Esse método é bom porque é altamente eficaz: mata o tumor. É ruim porque os tecidos saudáveis não são muito melhores, há inúmeros efeitos colaterais. Os órgãos da hematopoiese estão em risco particular.
Na prática, vários métodos são usados para reduzir o efeito dos raios X em tecidos saudáveis. Os feixes são direcionados em ângulo de forma que um tumor apareça na zona de sua interseção (devido a isso, a principal absorção de energia ocorre justamente ali). Às vezes, o procedimento é realizado em movimento: o corpo do paciente gira em relação à fonte de radiação em torno de um eixo que passa pelo tumor. Ao mesmo tempo, os tecidos saudáveis estão na zona de irradiação apenas às vezes e os doentes - o tempo todo.
Os raios X são usados no tratamento de certas artroses e doenças semelhantes, bem como doenças de pele. Nesse caso, a síndrome da dor é reduzida em 50-90%. Como a radiação utilizada neste caso é mais branda, não são observados efeitos colaterais semelhantes aos que ocorrem no tratamento de tumores.
A radiação de raios-X (sinônimo de raios-X) tem uma ampla gama de comprimentos de onda (de 8·10 -6 a 10 -12 cm). A radiação de raios X ocorre quando partículas carregadas, na maioria das vezes elétrons, desaceleram no campo elétrico dos átomos de uma substância. Os quanta resultantes têm diferentes energias e formam um espectro contínuo. A energia máxima do fóton em tal espectro é igual à energia dos elétrons incidentes. Em (ver) a energia máxima dos quanta de raios X, expressa em kiloelétron-volts, é numericamente igual à magnitude da voltagem aplicada ao tubo, expressa em kilovolts. Ao passar por uma substância, os raios X interagem com os elétrons de seus átomos. Para quanta de raios X com energias de até 100 keV, o tipo de interação mais característico é o efeito fotoelétrico. Como resultado dessa interação, a energia quântica é totalmente gasta para retirar um elétron da camada atômica e transmitir energia cinética a ele. Com o aumento da energia de um quantum de raios X, a probabilidade do efeito fotoelétrico diminui e o processo de espalhamento de quanta em elétrons livres torna-se predominante - o chamado efeito Compton. Como resultado dessa interação, um elétron secundário também é formado e, além disso, um quantum voa com uma energia menor que a energia do quantum primário. Se a energia de um quantum de raios-X exceder um megaelétron-volt, pode ocorrer o chamado efeito de emparelhamento, no qual um elétron e um pósitron são formados (ver). Consequentemente, ao passar por uma substância, a energia da radiação de raios X diminui, ou seja, sua intensidade diminui. Uma vez que os quanta de baixa energia são mais prováveis de serem absorvidos neste caso, a radiação de raios-X é enriquecida com quanta de alta energia. Essa propriedade da radiação de raios X é usada para aumentar a energia média dos quanta, ou seja, aumentar sua rigidez. Um aumento na dureza da radiação de raios-X é obtido usando filtros especiais (consulte). A radiação de raios X é usada para diagnósticos de raios X (consulte) e (consulte). Ver também radiação ionizante.
Radiação de raios-X (sinônimo: raios-x, raios-x) - radiação eletromagnética quântica com comprimento de onda de 250 a 0,025 A (ou quanta de energia de 5 10 -2 a 5 10 2 keV). Em 1895, foi descoberto por V.K. Roentgen. A região espectral da radiação eletromagnética adjacente aos raios X, cujos quanta de energia excedem 500 keV, é chamada de radiação gama (ver); radiação, cujos quanta de energia estão abaixo de 0,05 keV, é a radiação ultravioleta (ver).
Assim, representando uma parte relativamente pequena do vasto espectro da radiação eletromagnética, que inclui tanto as ondas de rádio quanto a luz visível, a radiação de raios X, como qualquer radiação eletromagnética, se propaga na velocidade da luz (cerca de 300 mil km/s no vácuo ) e é caracterizado por um comprimento de onda λ (a distância pela qual a radiação se propaga em um período de oscilação). A radiação de raios X também possui várias outras propriedades de onda (refração, interferência, difração), mas é muito mais difícil observá-las do que para radiação de comprimento de onda maior: luz visível, ondas de rádio.
Espectro de raios X: a1 - espectro de bremsstrahlung contínuo a 310 kV; a - espectro de bremsstrahlung contínuo a 250 kV, a1 - espectro filtrado por 1 mm Cu, a2 - espectro filtrado por 2 mm Cu, b - série K da linha de tungstênio.
Para gerar raios-x, são utilizados tubos de raios-x (ver), nos quais a radiação ocorre quando elétrons rápidos interagem com átomos da substância do ânodo. Existem dois tipos de raios X: bremsstrahlung e característicos. A radiação de raios X de Bremsstrahlung, que tem um espectro contínuo, é semelhante à luz branca comum. A distribuição da intensidade em função do comprimento de onda (Fig.) é representada por uma curva com máximo; na direção de ondas longas, a curva cai suavemente e, na direção de ondas curtas, ela é abrupta e se interrompe em um determinado comprimento de onda (λ0), chamado de limite de comprimento de onda curto do espectro contínuo. O valor de λ0 é inversamente proporcional à tensão no tubo. Bremsstrahlung surge da interação de elétrons rápidos com núcleos atômicos. A intensidade de bremsstrahlung é diretamente proporcional à força da corrente do ânodo, ao quadrado da tensão do tubo e ao número atômico (Z) do material do ânodo.
Se a energia dos elétrons acelerados no tubo de raios X exceder o valor crítico para a substância do ânodo (essa energia é determinada pela tensão do tubo Vcr, que é crítica para essa substância), ocorre a radiação característica. O espectro característico é linear, suas linhas espectrais formam uma série, denotadas pelas letras K, L, M, N.
A série K é o comprimento de onda mais curto, a série L é o comprimento de onda mais longo, as séries M e N são observadas apenas em elementos pesados (VCr de tungstênio para a série K é 69,3 kv, para a série L - 12,1 kv). A radiação característica surge da seguinte maneira. Elétrons rápidos expulsam elétrons atômicos das camadas internas. O átomo é excitado e então retorna ao estado fundamental. Nesse caso, os elétrons das camadas externas menos ligadas preenchem os espaços vagos nas camadas internas, e são emitidos fótons de radiação característica com uma energia igual à diferença entre as energias do átomo nos estados excitado e fundamental. Essa diferença (e, portanto, a energia do fóton) tem um determinado valor, característico de cada elemento. Este fenômeno está na base da análise espectral de raios-X dos elementos. A figura mostra o espectro de linha de tungstênio contra o fundo de um espectro contínuo de bremsstrahlung.
A energia dos elétrons acelerados no tubo de raios X é convertida quase inteiramente em energia térmica (o ânodo é fortemente aquecido neste caso), apenas uma parte insignificante (cerca de 1% a uma tensão próxima a 100 kV) é convertida em energia bremsstrahlung .
O uso de raios-x na medicina é baseado nas leis de absorção dos raios-x pela matéria. A absorção de raios X é completamente independente das propriedades ópticas do material absorvedor. O vidro de chumbo incolor e transparente usado para proteger o pessoal nas salas de raios-x absorve os raios-x quase completamente. Por outro lado, uma folha de papel que não é transparente à luz não atenua os raios X.
A intensidade de um feixe homogêneo (ou seja, de um determinado comprimento de onda) de radiação de raios X, ao passar por uma camada absorvedora, diminui de acordo com a lei exponencial (e-x), onde e é a base dos logaritmos naturais (2,718) e o expoente x é igual ao produto coeficiente de atenuação de massa (μ / p) cm 2 /g por espessura do absorvedor em g / cm 2 (aqui p é a densidade da substância em g / cm 3). Os raios X são atenuados tanto por espalhamento quanto por absorção. Consequentemente, o coeficiente de atenuação de massa é a soma dos coeficientes de absorção e dispersão de massa. O coeficiente de absorção de massa aumenta acentuadamente com o aumento do número atômico (Z) do absorvedor (proporcional a Z3 ou Z5) e com o aumento do comprimento de onda (proporcional a λ3). Essa dependência do comprimento de onda é observada dentro das bandas de absorção, em cujos limites o coeficiente apresenta saltos.
O coeficiente de dispersão de massa aumenta com o aumento do número atômico da substância. Para λ≥0,3Å o coeficiente de dispersão não depende do comprimento de onda, para λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
A diminuição dos coeficientes de absorção e espalhamento com a diminuição do comprimento de onda causa um aumento no poder de penetração dos raios X. O coeficiente de absorção de massa para os ossos [a absorção é principalmente devido ao Ca 3 (PO 4) 2 ] é quase 70 vezes maior do que para os tecidos moles, onde a absorção é principalmente devido à água. Isso explica por que a sombra dos ossos se destaca tão nitidamente nas radiografias contra o fundo dos tecidos moles.
A propagação de um feixe de raios X não homogêneo através de qualquer meio, junto com uma diminuição da intensidade, é acompanhada por uma mudança na composição espectral, uma mudança na qualidade da radiação: a parte de onda longa do espectro é absorvida para uma extensão maior do que a parte de ondas curtas, a radiação se torna mais uniforme. Filtrar a parte de comprimento de onda longo do espectro torna possível melhorar a proporção entre as doses profundas e superficiais durante a terapia de raios X de focos localizados profundamente no corpo humano (ver filtros de raios X). Para caracterizar a qualidade de um feixe de raios X não homogêneo, utiliza-se o conceito de "meia camada de atenuação (L)" - camada de uma substância que atenua a radiação pela metade. A espessura desta camada depende da tensão no tubo, da espessura e do material do filtro. Celofane (até uma energia de 12 keV), alumínio (20–100 keV), cobre (60–300 keV), chumbo e cobre (>300 keV) são usados para medir camadas de meia atenuação. Para raios X gerados em tensões de 80-120 kV, 1 mm de cobre equivale em capacidade de filtragem a 26 mm de alumínio, 1 mm de chumbo equivale a 50,9 mm de alumínio.
A absorção e dispersão dos raios-X se deve às suas propriedades corpusculares; Os raios X interagem com os átomos como um fluxo de corpúsculos (partículas) - fótons, cada um dos quais possui uma certa energia (inversamente proporcional ao comprimento de onda dos raios X). A faixa de energia dos fótons de raios-X é de 0,05-500 keV.
A absorção da radiação de raios-X se deve ao efeito fotoelétrico: a absorção de um fóton pelo invólucro de elétrons é acompanhada pela ejeção de um elétron. O átomo é excitado e, voltando ao estado fundamental, emite radiação característica. O fotoelétron emitido carrega toda a energia do fóton (menos a energia de ligação do elétron no átomo).
A dispersão da radiação de raios-X é devida aos elétrons do meio espalhador. Existem espalhamento clássico (o comprimento de onda da radiação não muda, mas a direção da propagação muda) e espalhamento com mudança no comprimento de onda - o efeito Compton (o comprimento de onda da radiação espalhada é maior que o incidente). Neste último caso, o fóton se comporta como uma bola em movimento, e o espalhamento dos fótons ocorre, segundo a expressão figurativa de Comnton, como um jogo de bilhar com fótons e elétrons: colidindo com um elétron, o fóton transfere parte de sua energia para ele e se espalha, já tendo menos energia (respectivamente, o comprimento de onda da radiação espalhada aumenta), o elétron voa para fora do átomo com uma energia de recuo (esses elétrons são chamados de elétrons Compton ou elétrons de recuo). A absorção da energia dos raios X ocorre durante a formação de elétrons secundários (Compton e fotoelétrons) e a transferência de energia para eles. A energia dos raios X transferida para uma unidade de massa de uma substância determina a dose absorvida de raios X. A unidade desta dose 1 rad corresponde a 100 erg/g. Devido à energia absorvida na substância do absorvedor, ocorrem vários processos secundários importantes para a dosimetria de raios X, pois é neles que se baseiam os métodos de medição de raios X. (ver Dosimetria).
Todos os gases e muitos líquidos, semicondutores e dielétricos, sob a ação dos raios X, aumentam a condutividade elétrica. A condutividade é encontrada pelos melhores materiais isolantes: parafina, mica, borracha, âmbar. A mudança na condutividade é devida à ionização do meio, ou seja, a separação de moléculas neutras em íons positivos e negativos (a ionização é produzida por elétrons secundários). A ionização no ar é usada para determinar a dose de exposição à radiação de raios X (dose no ar), que é medida em roentgens (consulte Doses de radiação ionizante). Com uma dose de 1 r, a dose absorvida no ar é 0,88 rad.
Sob a ação dos raios X, como resultado da excitação das moléculas de uma substância (e durante a recombinação de íons), em muitos casos é excitado um brilho visível da substância. Em altas intensidades de radiação de raios-X, um brilho visível de ar, papel, parafina, etc. é observado (metais são uma exceção). O maior rendimento de luz visível é dado por fósforos cristalinos como Zn·CdS·Ag-fósforo e outros usados para telas em fluoroscopia.
Sob a ação dos raios X, vários processos químicos também podem ocorrer em uma substância: a decomposição dos haletos de prata (efeito fotográfico usado nos raios X), a decomposição da água e soluções aquosas de peróxido de hidrogênio, uma alteração no propriedades de celulóide (turvação e liberação de cânfora), parafina (turvação e branqueamento) .
Como resultado da conversão completa, toda a energia de raios X absorvida pela substância quimicamente inerte é convertida em calor. A medição de quantidades muito pequenas de calor requer métodos altamente sensíveis, mas é o principal método para medições absolutas de raios-X.
Os efeitos biológicos secundários da exposição aos raios X são a base da radioterapia médica (ver). Os raios X, cujos quanta são 6-16 keV (comprimentos de onda efetivos de 2 a 5 Å), são quase completamente absorvidos pelo tegumento da pele do tecido do corpo humano; eles são chamados de raios de contorno, ou às vezes raios Bucca (veja raios Bucca). Para a terapia de raios X profundos, é usada radiação filtrada dura com quanta de energia efetiva de 100 a 300 keV.
O efeito biológico da radiação de raios-x deve ser levado em consideração não apenas na terapia de raios-x, mas também no diagnóstico de raios-x, bem como em todos os outros casos de contato com raios-x que requerem o uso de proteção contra radiação ( ver).
AGÊNCIA FEDERAL DE EDUCAÇÃO DA FEDERAÇÃO RUSSA
INSTITUIÇÃO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO
EDUCAÇÃO SUPERIOR PROFISSIONAL
INSTITUTO ESTADUAL DE MOSCOVO DE AÇO E LIGAS
(UNIVERSIDADE DE TECNOLOGIA)
FILIAL NOVOTROITSKY
Departamento de OEND
TRABALHO DO CURSO
Disciplina: Física
Tema: RAIO-X
Aluno: Nedorezova N.A.
Grupo: EiU-2004-25, No. З.К.: 04Н036
Verificado por: Ozhegova S.M.
Introdução
Capítulo 1
1.1 Biografia de Roentgen Wilhelm Conrad
1.2 Descoberta dos raios X
Capítulo 2
2.1 Fontes de raios X
2.2 Propriedades dos raios X
2.3 Registro de radiografias
2.4 Uso de raios-X
Capítulo 3
3.1 Análise de imperfeições da estrutura cristalina
3.2 Análise de espectro
Conclusão
Lista de fontes usadas
Formulários
Uma pessoa rara não passou por uma sala de raio-x. As fotos tiradas em raios-x são familiares a todos. Em 1995, esta descoberta tinha 100 anos. É difícil imaginar o grande interesse que despertou há um século. Nas mãos de um homem acabou por ser um aparelho com o qual era possível ver o invisível.
Essa radiação invisível, capaz de penetrar, embora em graus variados, em todas as substâncias, que é uma radiação eletromagnética com comprimento de onda de cerca de 10 -8 cm, foi chamada de radiação de raios-X, em homenagem a Wilhelm Roentgen, que a descobriu.
Como a luz visível, os raios X causam o escurecimento do filme fotográfico. Esta propriedade é de grande importância para a medicina, indústria e pesquisa científica. Passando pelo objeto em estudo e depois caindo no filme, a radiação de raios X retrata sua estrutura interna sobre ele. Uma vez que o poder de penetração da radiação de raios-X é diferente para diferentes materiais, partes do objeto que são menos transparentes para ele fornecem áreas mais brilhantes na fotografia do que aquelas através das quais a radiação penetra bem. Assim, os tecidos ósseos são menos transparentes aos raios X do que os tecidos que compõem a pele e os órgãos internos. Assim, na radiografia, os ossos serão indicados como áreas mais claras e o local da fratura, menos transparente para a radiação, poderá ser detectado com bastante facilidade. A imagem de raios X também é usada na odontologia para detectar cáries e abscessos nas raízes dos dentes, bem como na indústria para detectar rachaduras em peças fundidas, plásticos e borrachas, na química para analisar compostos e na física para estudar a estrutura dos cristais. .
A descoberta de Roentgen foi seguida por experimentos de outros pesquisadores que descobriram muitas novas propriedades e possibilidades de uso dessa radiação. Uma contribuição importante foi feita por M. Laue, W. Friedrich e P. Knipping, que em 1912 demonstraram a difração dos raios X quando eles passam por um cristal; W. Coolidge, que em 1913 inventou um tubo de raios X de alto vácuo com um cátodo aquecido; G. Moseley, que estabeleceu em 1913 a relação entre o comprimento de onda da radiação e o número atômico de um elemento; G. e L. Braggi, que receberam o Prêmio Nobel em 1915 por desenvolver os fundamentos da análise de difração de raios X.
O objetivo deste trabalho de curso é estudar o fenômeno da radiação de raios-x, a história da descoberta, propriedades e identificar o escopo de sua aplicação.
Wilhelm Conrad Roentgen nasceu em 17 de março de 1845 na região fronteiriça da Alemanha com a Holanda, na cidade de Lenepe. Ele recebeu sua educação técnica em Zurique, na mesma Escola Técnica Superior (Politécnica) onde Einstein estudou mais tarde. A paixão pela física obrigou-o, após deixar a escola em 1866, a continuar a educação física.
Em 1868 defendeu a sua dissertação para o grau de Doutor em Filosofia, trabalhou como assistente no Departamento de Física, primeiro em Zurique, depois em Giessen, e depois em Estrasburgo (1874-1879) com Kundt. Aqui Roentgen passou por uma boa escola experimental e se tornou um experimentador de primeira classe. Roentgen realizou parte da importante pesquisa com seu aluno, um dos fundadores da física soviética, A.F. Ioffe.
A pesquisa científica relaciona-se com o eletromagnetismo, a física dos cristais, a ótica, a física molecular.
Em 1895, ele descobriu a radiação com um comprimento de onda menor que o comprimento de onda dos raios ultravioleta (raios-X), mais tarde chamados de raios-x, e investigou suas propriedades: a capacidade de refletir, absorver, ionizar o ar, etc. Ele propôs o desenho correto do tubo para obtenção de raios X - um anticátodo de platina inclinado e um cátodo côncavo: ele foi o primeiro a tirar fotos usando raios X. Ele descobriu em 1885 o campo magnético de um dielétrico movendo-se em um campo elétrico (a chamada "corrente roentgen"). Sua experiência mostrou claramente que o campo magnético é criado por cargas em movimento e foi importante para a criação de X. Lorentz's teoria eletrônica. Um número significativo de trabalhos de Roentgen são dedicados ao estudo das propriedades de líquidos, gases, cristais, fenômenos eletromagnéticos, descobriu a relação entre fenômenos elétricos e ópticos em cristais. Pela descoberta dos raios que levam seu nome, Roentgen em 1901 foi o primeiro entre os físicos a receber o Prêmio Nobel.
De 1900 até os últimos dias de sua vida (morreu em 10 de fevereiro de 1923), trabalhou na Universidade de Munique.
Final do século 19 foi marcada pelo aumento do interesse pelos fenômenos da passagem da eletricidade pelos gases. Até Faraday estudou seriamente esses fenômenos, descreveu várias formas de descarga, descobriu um espaço escuro em uma coluna luminosa de gás rarefeito. O espaço escuro de Faraday separa o brilho cátodo azulado do brilho anódico rosado.
Um aumento adicional na rarefação do gás altera significativamente a natureza do brilho. O matemático Plücker (1801-1868) descobriu em 1859, em rarefação suficientemente forte, um feixe de raios fracamente azulados que emanava do cátodo, atingindo o ânodo e fazendo com que o vidro do tubo brilhasse. O aluno de Plücker, Gittorf (1824-1914), em 1869, continuou a pesquisa de seu professor e mostrou que uma sombra distinta aparece na superfície fluorescente do tubo se um corpo sólido for colocado entre o cátodo e esta superfície.
Goldstein (1850-1931), estudando as propriedades dos raios, chamou-os de raios catódicos (1876). Três anos depois, William Crookes (1832-1919) provou a natureza material dos raios catódicos e os chamou de "matéria radiante" - uma substância em um quarto estado especial. Sua evidência foi convincente e clara. Experimentos com o "tubo de Crookes" foram demonstrados posteriormente em todas as salas de aula físicas. A deflexão do feixe catódico por um campo magnético em um tubo de Crookes tornou-se uma clássica demonstração escolar.
No entanto, experimentos sobre a deflexão elétrica dos raios catódicos não foram tão convincentes. Hertz não detectou tal desvio e chegou à conclusão de que o raio catódico é um processo oscilatório no éter. O aluno de Hertz, F. Lenard, fazendo experiências com raios catódicos, mostrou em 1893 que eles passam por uma janela coberta com papel alumínio e causam um brilho no espaço atrás da janela. Hertz dedicou seu último artigo, publicado em 1892, ao fenômeno da passagem dos raios catódicos através de corpos metálicos finos, começando com as palavras:
"Os raios catódicos diferem da luz de maneira significativa em termos de sua capacidade de penetrar sólidos." observe quaisquer diferenças especiais nos fenômenos Os raios não passam pelas folhas em linha reta, mas são espalhados por difração. A natureza dos raios catódicos ainda não estava clara.
Foi com esses tubos de Crookes, Lenard e outros que o professor de Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen experimentou no final de 1895. Certa vez, após o término do experimento, ele fechou o tubo com uma tampa de papelão preto, apagou a luz, mas não desligou o indutor que alimentava o tubo, notou um brilho da tela de cianogênio de bário localizado próximo ao tubo. Atingido por esta circunstância, Roentgen começou a fazer experiências com a tela. Em seu primeiro relatório "Sobre um novo tipo de raios", datado de 28 de dezembro de 1895, ele escreveu sobre essas primeiras experiências: "Um pedaço de papel revestido com platina-cianeto de bário, ao se aproximar de um tubo, fechado com uma fina capa de papelão preto que se ajusta perfeitamente a ele, a cada descarga ele pisca com uma luz brilhante: começa a fluorescer. A fluorescência é visível com escurecimento suficiente e não depende se trazemos o papel com o lado revestido com sinerógeno de bário ou não revestido com sinerógeno de bário. A fluorescência é perceptível mesmo a uma distância de dois metros do tubo.”
Um exame cuidadoso mostrou a Roentgen "aquele papelão preto, transparente nem aos raios visíveis e ultravioleta do sol, nem aos raios de um arco elétrico, é permeado por algum tipo de agente fluorescente". , que ele chamou de brevidade "raios X", para várias substâncias... Ele descobriu que os raios passam livremente por papel, madeira, ebonite, finas camadas de metal, mas são fortemente retardados pelo chumbo.
Ele então descreve a experiência sensacional:
“Se você colocar a mão entre o tubo de descarga e a tela, poderá ver as sombras escuras dos ossos nos contornos fracos da sombra da própria mão.” Este foi o primeiro exame de raios-X do corpo humano.
Essas fotos causaram uma grande impressão; a descoberta ainda não havia sido concluída e o diagnóstico por raios X já havia começado sua jornada. “Meu laboratório foi inundado por médicos que traziam pacientes que suspeitavam que tivessem agulhas em várias partes do corpo”, escreveu o físico inglês Schuster.
Já após os primeiros experimentos, Roentgen estabeleceu firmemente que os raios X diferem dos catódicos, não carregam carga e não são desviados por um campo magnético, mas são excitados por raios catódicos. "Os raios X não são idênticos ao cátodo raios, mas são excitados por eles nas paredes de vidro do tubo de descarga”, escreveu Roentgen.
Ele também estabeleceu que eles são excitados não apenas em vidro, mas também em metais.
Mencionando a hipótese de Hertz-Lenard de que os raios catódicos “são um fenômeno que ocorre no éter”, Roentgen aponta que “podemos dizer algo semelhante sobre nossos raios”. No entanto, ele não conseguiu detectar as propriedades ondulatórias dos raios, eles "se comportam de maneira diferente dos raios ultravioleta, visíveis e infravermelhos até então conhecidos". mensagem, ele expressou a suposição deixada depois que eles podem ser ondas longitudinais no éter.
A descoberta de Roentgen despertou grande interesse no mundo científico. Seus experimentos foram repetidos em quase todos os laboratórios do mundo. Em Moscou, eles foram repetidos por P.N. Lebedev. Em São Petersburgo, o inventor do rádio A.S. Popov experimentou raios-X, demonstrou-os em palestras públicas, recebendo vários raios-X. Em Cambridge D.D. Thomson aplicou imediatamente o efeito ionizante dos raios X para estudar a passagem da eletricidade pelos gases. Sua pesquisa levou à descoberta do elétron.
Radiação de raios X - radiação eletromagnética ionizante, ocupando a região espectral entre a radiação gama e ultravioleta nos comprimentos de onda de 10 -4 a 10 3 (de 10 -12 a 10 -5 cm).R. eu. com comprimento de onda λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - macio.
A fonte mais comum de raios-X é o tubo de raios-X.
Os tubos de raios X são usados na análise estrutural de raios X
As principais características dos tubos de raios X são a tensão de aceleração máxima permitida (1-500 kV), corrente eletrônica (0,01 mA - 1A), potência específica dissipada pelo ânodo (10-10 4 W / mm 2), consumo total de energia (0,002 W - 60 kW) e tamanhos de foco (1 µm - 10 mm). A eficiência do tubo de raios-x é de 0,1-3%.
Alguns isótopos radioativos também podem servir como fontes de raios-X.
Síncrotrons e anéis de armazenamento de elétrons com energias de vários GeV podem servir como fontes de raios X moles com λ na ordem de dezenas e centenas. Em intensidade, a radiação de raios-X dos síncrotrons excede a radiação de um tubo de raios-X na região especificada do espectro em 2-3 ordens de magnitude.
Fontes naturais de raios-X - o Sol e outros objetos espaciais.
Dependendo do mecanismo de origem dos raios X, seus espectros podem ser contínuos (bremsstrahlung) ou lineares (característicos). Um espectro contínuo de raios-X é emitido por partículas carregadas rapidamente como resultado de sua desaceleração ao interagir com átomos alvo; este espectro atinge uma intensidade significativa apenas quando o alvo é bombardeado com elétrons. A intensidade dos raios X bremsstrahlung é distribuída por todas as frequências até o limite de alta frequência 0 , no qual a energia do fóton h 0 (h é a constante de Planck
A radiação de linha ocorre após a ionização de um átomo com a ejeção de um elétron de uma de suas camadas internas. Essa ionização pode ser o resultado da colisão de um átomo com uma partícula rápida, como um elétron (raios X primários), ou a absorção de um fóton por um átomo (raios X fluorescentes). O átomo ionizado encontra-se no estado quântico inicial em um dos níveis de alta energia e após 10 -16 -10 -15 segundos passa para o estado final com uma energia mais baixa. Nesse caso, um átomo pode emitir um excesso de energia na forma de um fóton de uma determinada frequência. As frequências das linhas do espectro de tal radiação são características dos átomos de cada elemento, portanto a linha do espectro de raios-X é chamada de característica. A dependência da frequência da linha deste espectro no número atômico Z é determinada pela lei de Moseley.
lei de Moseley, a lei que relaciona a frequência das linhas espectrais da emissão característica de raios X de um elemento químico com seu número de série. G. Moseley instalado experimentalmente
onde R é a constante de Rydberg
A lei de Moseley era uma prova irrefutável da colocação correta dos elementos na tabela periódica dos elementos
De acordo com a lei de Moseley, os espectros característicos de raios X não exibem os padrões periódicos inerentes aos espectros ópticos. Isso indica que as camadas eletrônicas internas dos átomos de todos os elementos que aparecem nos espectros de raios-X característicos têm uma estrutura semelhante.
Experimentos posteriores revelaram alguns desvios da dependência linear para os grupos de transição de elementos, associados a uma mudança na ordem de preenchimento das camadas externas de elétrons, bem como para átomos pesados, aparecendo como resultado de efeitos relativísticos (explicados condicionalmente pelo fato de que as velocidades dos internos são comparáveis à velocidade da luz).
Dependendo de vários fatores - no número de núcleons no núcleo (deslocamento isotônico), o estado das camadas externas de elétrons (deslocamento químico), etc. - a posição das linhas espectrais no diagrama de Moseley pode mudar um pouco. O estudo desses deslocamentos permite obter informações detalhadas sobre o átomo.
Os raios X de Bremsstrahlung emitidos por alvos muito finos são completamente polarizados perto de 0; à medida que 0 diminui, o grau de polarização diminui. A radiação característica, via de regra, não é polarizada.
Quando os raios X interagem com a matéria, pode ocorrer o efeito fotoelétrico.
Quando os raios X atravessam uma camada de substância com espessura x, sua intensidade inicial I 0 diminui para o valor I = I 0 e - μ x onde μ é o coeficiente de atenuação. A atenuação de I ocorre devido a dois processos: a absorção dos fótons de raios-X pela matéria e a mudança de sua direção durante o espalhamento. Na região de ondas longas do espectro, predomina a absorção dos raios X, na região de ondas curtas, seu espalhamento. O grau de absorção aumenta rapidamente com o aumento de Z e λ. Por exemplo, raios X duros penetram livremente através de uma camada de ar ~ 10 cm; uma placa de alumínio com 3 cm de espessura atenua os raios X com λ = 0,027 pela metade; raios-x macios são significativamente absorvidos no ar e seu uso e estudo são possíveis apenas no vácuo ou em um gás de absorção fraca (por exemplo, He). Quando os raios X são absorvidos, os átomos de uma substância são ionizados.
O efeito dos raios X nos organismos vivos pode ser benéfico ou prejudicial, dependendo da ionização que causam nos tecidos. Como a absorção dos raios X depende de λ, sua intensidade não pode servir como medida do efeito biológico dos raios X. As medições de raios X são usadas para medir o efeito dos raios X na matéria.
A dispersão de raios X na região de grandes Z e λ ocorre principalmente sem alteração em λ e é chamada de dispersão coerente, enquanto na região de pequenos Z e λ, via de regra, aumenta (espalhamento incoerente). Existem 2 tipos de dispersão incoerente de raios X - Compton e Raman. No espalhamento Compton, que tem o caráter de espalhamento corpuscular inelástico, um elétron de recuo voa para fora da camada atômica devido à energia parcialmente perdida pelo fóton de raios-X. Nesse caso, a energia do fóton diminui e sua direção muda; a mudança em λ depende do ângulo de dispersão. Durante o espalhamento Raman de um fóton de raios X de alta energia por um átomo de luz, uma pequena parte de sua energia é gasta na ionização do átomo e a direção do movimento do fóton muda. A mudança de tais fótons não depende do ângulo de dispersão.
O índice de refração n para raios X difere de 1 por uma quantidade muito pequena δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . A velocidade de fase dos raios X em um meio é maior que a velocidade da luz no vácuo. O desvio dos raios X durante a transição de um meio para outro é muito pequeno (alguns minutos de arco). Quando os raios X caem do vácuo sobre a superfície de um corpo em um ângulo muito pequeno, ocorre sua reflexão externa total.
O olho humano não é sensível aos raios-x. Raio X
os raios são registrados usando um filme especial de raios-x contendo uma quantidade aumentada de Ag, Br. Na região λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, a sensibilidade do filme positivo comum é bastante alta e seus grãos são muito menores que os grãos do filme de raios X, o que aumenta a resolução. Em λ da ordem de dezenas e centenas, os raios X atuam apenas na camada superficial mais fina da emulsão fotográfica; para aumentar a sensibilidade do filme, ele é sensibilizado com óleos luminescentes. Em diagnósticos de raios-X e detecção de falhas, a eletrofotografia às vezes é usada para registrar raios-X.
Raios X de alta intensidade podem ser registrados usando uma câmara de ionização
Os raios-X são mais amplamente utilizados na medicina para diagnósticos de raios-X.
Análise estrutural de raios-X
microscopia de raios X
Os raios X vindos do espaço carregam informações sobre a composição química dos corpos cósmicos e sobre os processos físicos que ocorrem no espaço. A astronomia de raios X lida com o estudo dos raios X cósmicos
Uma das principais tarefas da análise de difração de raios X é a determinação da composição real ou de fase de um material. O método de difração de raios X é direto e é caracterizado por alta confiabilidade, rapidez e baixo custo relativo. O método não requer um grande número substâncias, a análise pode ser realizada sem destruir a peça. As áreas de aplicação da análise de fase qualitativa são muito diversas tanto para a pesquisa científica quanto para o controle na produção. Você pode verificar a composição das matérias-primas da produção metalúrgica, produtos de síntese, processamento, resultado de mudanças de fase durante o tratamento térmico e químico-térmico, analisar vários revestimentos, filmes finos, etc.
Cada fase, possuindo sua própria estrutura cristalina, é caracterizada por um determinado conjunto de valores discretos de distâncias interplanares d/n do máximo e abaixo, inerentes apenas a esta fase. Como se segue da equação de Wulf-Bragg, cada valor da distância interplanar corresponde a uma linha no padrão de raios-x de uma amostra policristalina em um determinado ângulo θ (em um determinado valor do comprimento de onda λ). Assim, um determinado sistema de linhas (máximos de difração) corresponderá a um determinado conjunto de distâncias interplanares para cada fase do padrão de difração de raios-X. A intensidade relativa dessas linhas no padrão de raios X depende principalmente da estrutura da fase. Portanto, determinando a localização das linhas na radiografia (seu ângulo θ) e conhecendo o comprimento de onda da radiação na qual a radiografia foi tirada, é possível determinar os valores das distâncias interplanares d/n usando o Wulf -Fórmula de Bragg:
/n = λ/ (2sen θ). (1)
Tendo determinado o conjunto de d/n para o material em estudo e comparando-o com os dados d/n previamente conhecidos para substâncias puras, seus vários compostos, é possível estabelecer qual fase o material em questão compreende. Deve-se enfatizar que são as fases que são determinadas, e não a composição química, mas esta pode às vezes ser deduzida se houver dados adicionais sobre a composição elementar de uma determinada fase. A tarefa de análise qualitativa de fases é muito facilitada se a composição química do material em estudo for conhecida, pois assim é possível fazer suposições preliminares sobre as possíveis fases neste caso.
A chave para a análise de fase é medir com precisão d/n e a intensidade da linha. Embora isso seja em princípio mais fácil de conseguir usando um difratômetro, o fotométodo para análise qualitativa tem algumas vantagens, principalmente em termos de sensibilidade (capacidade de detectar a presença de uma pequena quantidade de fase na amostra), bem como a simplicidade de a técnica experimental.
O cálculo de d/n a partir do padrão de raios X é realizado usando a equação de Wulf-Bragg.
Como o valor de λ nesta equação, λ α cf série K é geralmente usado:
λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Às vezes, a linha K α1 é usada. Determinar os ângulos de difração θ para todas as linhas de raios X permite calcular d / n de acordo com a equação (1) e separar as linhas β (se não houver filtro para (raios β).
Todos os materiais monocristalinos reais e ainda mais policristalinos contêm certas imperfeições estruturais (defeitos pontuais, deslocamentos, vários tipos de interfaces, micro e macro tensões), que têm um efeito muito forte em todas as propriedades e processos sensíveis à estrutura.
Imperfeições estruturais causam distorções da rede cristalina de natureza diferente e, como resultado, diferentes tipos de mudanças no padrão de difração: uma mudança nas distâncias interatômicas e interplanares causa uma mudança nos máximos de difração, microstresses e dispersão da subestrutura levam a um alargamento de máximos de difração, microdistorções de rede - a uma mudança na intensidade desses máximos, os deslocamentos de presença causam fenômenos anômalos durante a passagem de raios X e, consequentemente, inomogeneidades de contraste local em topogramas de raios X, etc.
Como resultado, a análise de difração de raios X é um dos métodos mais informativos para estudar imperfeições estruturais, seu tipo e concentração e a natureza de sua distribuição.
O método direto tradicional de difração de raios X, que é implementado em difratômetros estacionários, devido às suas características de projeto, permite a determinação quantitativa de tensões e deformações apenas em pequenas amostras cortadas de peças ou objetos.
Portanto, atualmente, há uma transição de difratômetros de raios X estacionários para portáteis de pequeno porte, que fornecem uma avaliação de tensões no material de peças ou objetos sem destruição nas etapas de sua fabricação e operação.
Os difratômetros portáteis de raios X da série DRP * 1 permitem controlar tensões residuais e efetivas em peças, produtos e estruturas de grande porte sem destruição
O programa em ambiente Windows permite não só determinar as tensões usando o método "sin 2 ψ" em tempo real, mas também monitorar a mudança na composição da fase e textura. O detector de coordenadas lineares fornece registro simultâneo em ângulos de difração 2θ = 43°. tubos de raios X de pequeno porte do tipo "Fox" com alta luminosidade e baixa potência (5 W) garantem a segurança radiológica do aparelho, em que a uma distância de 25 cm da área irradiada, o nível de radiação é igual a o nível de fundo natural. Os dispositivos da série DRP são utilizados na determinação de tensões em vários estágios de conformação de metais, corte, retificação, tratamento térmico, soldagem, endurecimento de superfície, a fim de otimizar essas operações tecnológicas. O controle da queda do nível de tensões compressivas residuais induzidas em produtos e estruturas especialmente críticas durante sua operação possibilita a retirada de serviço do produto antes de sua destruição, evitando possíveis acidentes e catástrofes.
Juntamente com a determinação da estrutura cristalina atômica e composição de fase do material para sua características completasé obrigatório determinar a sua composição química.
Cada vez mais, vários chamados métodos instrumentais de análise espectral são usados na prática para esses propósitos. Cada um deles tem suas próprias vantagens e aplicações.
Um dos requisitos importantes em muitos casos é que o método utilizado garanta a segurança do objeto analisado; São esses métodos de análise que são discutidos nesta seção. O próximo critério segundo o qual os métodos de análise descritos nesta seção foram escolhidos é sua localidade.
O método de análise espectral de raios X de fluorescência é baseado na penetração de radiação de raios X bastante dura (de um tubo de raios X) no objeto analisado, penetrando em uma camada com espessura da ordem de vários micrômetros. A radiação característica de raios X que surge neste caso no objeto permite obter dados médios sobre sua composição química.
Para determinar a composição elementar de uma substância, pode-se usar a análise do espectro característico de raios X de uma amostra colocada no ânodo de um tubo de raios X e submetida a bombardeio de elétrons - o método de emissão ou a análise do espectro de radiação de raios X secundária (fluorescente) de uma amostra submetida a irradiação com raios X duros de um tubo de raios X ou outra fonte - método fluorescente.
A desvantagem do método de emissão é, em primeiro lugar, a necessidade de colocar a amostra no ânodo do tubo de raios-X, seguido de evacuação com bombas de vácuo; obviamente, este método não é adequado para substâncias fusíveis e voláteis. A segunda desvantagem está relacionada ao fato de que mesmo objetos refratários são danificados pelo bombardeio de elétrons. O método fluorescente está livre dessas deficiências e, portanto, tem uma aplicação muito mais ampla. A vantagem do método de fluorescência é também a ausência de bremsstrahlung, o que melhora a sensibilidade da análise. A comparação dos comprimentos de onda medidos com tabelas de linhas espectrais de elementos químicos é a base de uma análise qualitativa, e as intensidades relativas das linhas espectrais de diferentes elementos que formam a substância da amostra formam a base de uma análise quantitativa. A partir de uma consideração do mecanismo de excitação da radiação característica de raios X, fica claro que as radiações de uma ou outra série (K ou L, M, etc.) surgem simultaneamente, e a razão das intensidades de linha dentro da série é sempre constante. Portanto, a presença deste ou daquele elemento é estabelecida não por linhas individuais, mas por uma série de linhas como um todo (exceto as mais fracas, levando em consideração o conteúdo desse elemento). Para elementos relativamente leves, utiliza-se a análise das linhas da série K, para elementos pesados, as linhas da série L; sob diferentes condições (dependendo do equipamento utilizado e dos elementos analisados), diferentes regiões do espectro característico podem ser mais convenientes.
As principais características da análise espectral de raios X são as seguintes.
Simplicidade dos espectros característicos de raios X mesmo para elementos pesados (em comparação com espectros ópticos), o que simplifica a análise (pequeno número de linhas; semelhança em seu arranjo mútuo; com um aumento no número de série, um deslocamento regular do espectro para o ocorre região de comprimento de onda curto; simplicidade comparativa da análise quantitativa).
Independência dos comprimentos de onda do estado dos átomos do elemento analisado (livre ou em um composto químico). Isso se deve ao fato de que a ocorrência de radiação característica de raios X está associada à excitação de níveis eletrônicos internos, que na maioria dos casos praticamente não mudam com o grau de ionização dos átomos.
A possibilidade de separação na análise de terras raras e alguns outros elementos que apresentam pequenas diferenças nos espectros na faixa óptica devido à semelhança estrutura eletrônica cascas externas e diferem muito pouco em suas propriedades químicas.
A espectroscopia de fluorescência de raios-X é "não destrutiva", por isso tem uma vantagem sobre a espectroscopia óptica convencional ao analisar amostras finas - chapas finas de metal, folha, etc.
Espectrômetros de fluorescência de raios X, entre eles espectrômetros multicanal ou quantômetros, que fornecem análises quantitativas expressas de elementos (de Na ou Mg a U) com erro inferior a 1% do valor determinado, limite de sensibilidade de 10 -3 ... 10 -4%.
raio-x
Métodos para determinar a composição espectral de raios-x
Os espectrômetros são divididos em dois tipos: cristal-difração e cristalino.
A decomposição dos raios X em um espectro usando uma grade de difração natural - um cristal - é essencialmente semelhante à obtenção de um espectro de raios de luz comuns usando uma grade de difração artificial na forma de golpes periódicos no vidro. A condição para a formação de um máximo de difração pode ser escrita como a condição de "reflexão" de um sistema de planos atômicos paralelos separados por uma distância d hkl .
Ao realizar uma análise qualitativa, pode-se julgar a presença de um elemento em uma amostra por uma linha - geralmente a linha mais intensa da série espectral adequada para um determinado cristal analisador. A resolução dos espectrômetros de difração de cristal é suficiente para separar as linhas características mesmo de elementos adjacentes em posição na tabela periódica. No entanto, devemos também ter em conta a imposição de diferentes linhas de diferentes elementos, bem como a imposição de reflexões ordem diferente. Esta circunstância deve ser levada em consideração ao escolher linhas analíticas. Ao mesmo tempo, é necessário aproveitar as possibilidades de melhorar a resolução do aparelho.
Assim, os raios X são radiações eletromagnéticas invisíveis com um comprimento de onda de 10 5 - 10 2 nm. Os raios X podem penetrar em alguns materiais que são opacos à luz visível. Eles são emitidos durante a desaceleração de elétrons rápidos na matéria (espectro contínuo) e durante as transições de elétrons das camadas eletrônicas externas do átomo para as internas (espectro linear). As fontes de radiação de raios X são: tubo de raios X, alguns isótopos radioativos, aceleradores e acumuladores de elétrons (radiação síncrotron). Receptores - filme, telas luminescentes, detectores de radiação nuclear. Os raios X são usados na análise de difração de raios X, medicina, detecção de falhas, análise espectral de raios X, etc.
Tendo considerado os aspectos positivos da descoberta de V. Roentgen, é necessário observar seu efeito biológico prejudicial. Descobriu-se que os raios X podem causar algo como uma queimadura solar grave (eritema), acompanhada, no entanto, por danos mais profundos e permanentes à pele. Aparecendo úlceras muitas vezes se transformam em câncer. Em muitos casos, dedos ou mãos tiveram que ser amputados. Também houve mortes.
Verificou-se que os danos à pele podem ser evitados reduzindo o tempo de exposição e a dose, usando blindagem (por exemplo, chumbo) e controles remotos. Mas gradualmente outros efeitos de longo prazo da exposição aos raios X foram revelados, que foram então confirmados e estudados em animais experimentais. Os efeitos devidos aos raios X e outras radiações ionizantes (como os raios gama emitidos por materiais radioativos) incluem:
) mudanças temporárias na composição do sangue após uma exposição excessiva relativamente pequena;
) alterações irreversíveis na composição do sangue (anemia hemolítica) após exposição excessiva prolongada;
) um aumento na incidência de câncer (incluindo leucemia);
) envelhecimento mais rápido e morte precoce;
) a ocorrência de catarata.
O impacto biológico dos raios X no corpo humano é determinado pelo nível de dose de radiação, bem como por qual órgão específico do corpo foi exposto à radiação.
O acúmulo de conhecimento sobre os efeitos da radiação de raios X no corpo humano levou ao desenvolvimento de padrões nacionais e internacionais para doses de radiação permissíveis, publicados em vários livros de referência.
Para evitar os efeitos nocivos dos raios X, são utilizados métodos de controle:
) disponibilidade de equipamento adequado,
) monitorar o cumprimento das normas de segurança,
) uso correto do equipamento.
1) Blokhin M.A., Physics of X-rays, 2ª ed., M., 1957;
) Blokhin M.A., Methods of X-ray Spectral Studies, M., 1959;
) Raios-X. Sentado. ed. MA Blokhin, trad. com ele. e Inglês, M., 1960;
) Kharaja F., Curso geral de engenharia de raios X, 3ª ed., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Handbook of X-ray difraction analysis of polycrystals, M., 1961;
) Weinstein E.E., Kakhana M.M., tabelas de referência em espectroscopia de raios-X, M., 1953.
) Raios-X e análise eletro-óptica. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Subsídio para universidades. - 4ª ed. Adicionar. E um retrabalhador. - M.: "MISiS", 2002. - 360 p.
Anexo 1
Visão geral dos tubos de raios X
Anexo 2
Esquema do tubo de raios X para análise estrutural
Esquema de um tubo de raios X para análise estrutural: 1 - ânodo metálico vidro (normalmente aterrado); 2 - janelas de berílio para saída de raios-x; 3 - cátodo termiônico; 4 - bulbo de vidro, isolando a parte anódica do tubo do cátodo; 5 - terminais catódicos, aos quais é aplicada a tensão do filamento, bem como alta tensão (em relação ao ânodo); 6 - sistema eletrostático para focalização de elétrons; 7 - ânodo (anticátodo); 8 - tubos de derivação para entrada e saída de água corrente resfriando o vidro anódico.
Anexo 3
diagrama de Moseley
Diagrama de Moseley para as séries K, L e M de raios X característicos. A abscissa mostra o número de série do elemento Z, a ordenada - ( Comé a velocidade da luz).
Apêndice 4
Câmara de ionização.
Figura 1. Seção de uma câmara de ionização cilíndrica: 1 - corpo cilíndrico da câmara, que serve como eletrodo negativo; 2 - haste cilíndrica servindo como eletrodo positivo; 3 - isoladores.
Arroz. 2. Esquema de ligar a câmara de ionização atual: V - tensão nos eletrodos da câmara; G é um galvanômetro que mede a corrente de ionização.
Arroz. 3. Característica corrente-tensão da câmara de ionização.
Arroz. 4. Esquema de acionamento da câmara de ionização pulsada: C - capacitância do eletrodo coletor; R é a resistência.
Anexo 5
Contador de cintilação.
Esquema de um contador de cintilação: quanta de luz (fótons) "elimina" os elétrons do fotocátodo; movendo-se de dinodo para dinodo, a avalanche de elétrons se multiplica.
Apêndice 6
Contador Geiger-Muller.
Arroz. 1. Esquema de um contador Geiger-Muller de vidro: 1 - tubo de vidro hermeticamente fechado; 2 - cátodo (uma fina camada de cobre em um tubo de aço inoxidável); 3 - saída do cátodo; 4 - ânodo (fio esticado fino).
Arroz. 2. Esquema de ligar o contador Geiger-Muller.
Arroz. 3. A característica de contagem do contador Geiger-Muller.
Anexo 7
contador proporcional.
Esquema de um contador proporcional: a - região de deriva eletrônica; b - área de amplificação de gás.
Apêndice 8
Detectores de semicondutores
Detectores de semicondutores; a área sensível é destacada por sombreamento; n - região de um semicondutor com condutividade eletrônica, p - com furo, i - com condução intrínseca; a - detector de barreira de superfície de silício; b - detector planar de deriva germânio-lítio; c - detector coaxial germânio-lítio.
