У вивченні та практичному використанні атомних явищ одну з найважливіших ролей грають рентгенівські промені. Завдяки їх дослідженню було зроблено безліч відкриттів і розроблені методи аналізу речовини, що застосовуються в різних областях. Тут ми розглянемо один із видів рентгенівських променів - характеристичне рентгенівське випромінювання.
Рентгенівське випромінювання - це високочастотна зміна стану електромагнітного поля, що поширюється у просторі зі швидкістю близько 300 000 км/с, тобто електромагнітні хвилі. На шкалі діапазону електромагнітного випромінювання рентген розташовується в області довжин хвиль приблизно від 10 -8 до 5∙10 -12 метрів, що на кілька порядків коротше оптичних хвиль. Це відповідає частотам від 3∙10 16 до 6∙10 19 Гц та енергіям від 10 еВ до 250 кеВ, або 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 Дж. Слід зазначити, що межі частотних діапазонів електромагнітного випромінювання досить умовні внаслідок їх перекриття.
Є взаємодія прискорених заряджених частинок (електронів високих енергій) з електричними та магнітними полями та з атомами речовини.
Фотонам рентгенівських променів властиві високі енергії та велика проникаюча та іонізуюча здатність, особливо для жорсткого рентгена з довжинами хвиль менше 1 нанометра (10 -9 м).
Рентгенівські промені взаємодіють з речовиною, іонізуючи його атоми, у процесах фотоефекту (фотопоглинання) та некогерентного (комптоновського) розсіювання. p align="justify"> При фотопоглинанні рентгенівський фотон, поглинаючись електроном атома, передає йому енергію. Якщо її величина перевищує енергію зв'язку електрона в атомі, він залишає атом. Комптонівське розсіювання характерне більш жорстких (енергійних) рентгенівських фотонів. Частина енергії фотона, що поглинається, витрачається на іонізацію; при цьому під деяким кутом до напрямку первинного фотона випромінюється вторинний з меншою частотою.
Для отримання променів використовують скляні вакуумні балони з розташованими всередині електродами. Різниця потенціалів на електродах потрібна дуже висока – до сотень кіловольт. На вольфрамовому катоді, що підігрівається струмом, відбувається термоелектронна емісія, тобто з нього випускаються електрони, які, прискорюючись різницею потенціалів, бомбардують анод. Внаслідок їх взаємодії з атомами анода (іноді його називають антикатодом) народжуються фотони рентгенівського діапазону.
Залежно від того, який процес призводить до народження фотона, розрізняють такі види рентгенівського випромінювання, як гальмівне та характеристичне.
Електрони можуть, зустрічаючись з анодом, гальмуватися, тобто втрачати енергію в електричних полях атомів. Ця енергія випромінюється у формі рентгенівських фотонів. Таке випромінювання називається гальмівним.
Зрозуміло, що умови гальмування відрізнятимуться окремих електронів. Це означає, що у рентгенівське випромінювання перетворюються різні кількості їх кінетичної енергії. В результаті гальмівне випромінювання включає фотони різних частот і відповідно довжин хвиль. Тому спектр його є суцільним (безперервним). Іноді його ще називають «білим» рентгенівським випромінюванням.
Енергія гальмівного фотона не може перевищувати кінетичну енергію електрона, що породжує його, так що максимальна частота (і найменша довжина хвилі) гальмівного випромінювання відповідає найбільшому значенню кінетичної енергії налітають на анод електронів. Остання залежить від прикладеної до електродів різниці потенціалів.
Існує ще один тип рентгенівського випромінювання, джерелом якого є інший процес. Це випромінювання називають характерним, і ми зупинимося на ньому докладніше.
Досягши антикатода, швидкий електрон може проникнути всередину атома і вибити якийсь електрон з однією з нижніх орбіталей, тобто передати йому енергію, достатню для подолання потенційного бар'єру. Однак за наявності в атомі вищих енергетичних рівнів, зайнятих електронами, місце, що звільнилося, порожнім не залишиться.
Необхідно пам'ятати, що електронна структура атома, як і будь-яка енергетична система прагне мінімізувати енергію. Вакансія, що утворилася в результаті вибивання, заповнюється електроном з одного з вищележачих рівнів. Його енергія вища, і, займаючи нижчий рівень, він випромінює надлишок у формі кванта характеристичного рентгенівського випромінювання.
Електронна структура атома – це дискретний набір можливих енергетичних станів електронів. Тому рентгенівські фотони, що випромінюються в процесі заміщення електронних вакансій, також можуть мати лише певні значення енергії, що відображають різницю рівнів. Внаслідок цього характеристичне рентгенівське випромінювання має спектр не суцільного, а лінійного виду. Такий спектр дозволяє характеризувати речовину анода - звідси назва цих променів. Саме завдяки спектральним відмінностям ясно, що розуміють під гальмівним та характеристичним рентгенівським випромінюванням.
Іноді надлишок енергії не випромінюється атомом, а витрачається на вибивання третього електрона. Цей процес - так званий ефект "Оже" - з більшою ймовірністю відбувається, коли енергія зв'язку електрона не перевищує 1 кеВ. Енергія оже-электрона, що звільняється, залежить від структури енергетичних рівнів атома, тому спектри таких електронів також носять дискретний характер.
Вузькі характеристичні лінії є в рентгенівській спектральній картині разом з суцільним гальмівним спектром. Якщо уявити спектр як графіка залежності інтенсивності від довжини хвилі (частоти), у місцях розташування ліній ми побачимо різкі піки. Їхня позиція залежить від матеріалу анода. Ці максимуми присутні за будь-якої різниці потенціалів - якщо є рентгенівські промені, піки теж завжди є. При підвищенні напруги на електродах трубки інтенсивність і суцільного і характеристичного рентгенівського випромінювання наростає, але розташування піків і співвідношення їх інтенсивностей не змінюється.
Піки в рентгенівських спектрах мають однаковий вигляд незалежно від матеріалу антикатода, що опромінюється електронами, але у різних матеріалів розташовуються на різних частотах, об'єднуючись в серії по близькості значень частоти. Між самими серіями різниця за частотами набагато значніша. Вигляд максимумів ніяк не залежить від того, чи матеріал анода представляє чистий хімічний елемент або ж це складна речовина. У разі характеристичні спектри рентгенівського випромінювання складових його елементів просто накладаються друг на друга.
З підвищенням порядкового номера хімічного елемента всі лінії рентгенівського спектру зміщуються у бік підвищення частоти. Спектр при цьому зберігає свій вигляд.
Явище спектрального зсуву характеристичних ліній експериментально виявлено англійським фізиком Генрі Мозлі в 1913 року. Це дозволило йому пов'язати частоти максимумів спектра з порядковими номерами хімічних елементів. Таким чином, і довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання, як з'ясувалося, можна чітко співвіднести з певним елементом. У загальному вигляді закон Мозлі можна записати так: √f = (Z - S n)/n√R, де f - частота, Z - порядковий номер елемента, S n - постійна екранування, n - головне квантове число і R - постійна Рідберг. Ця залежність має лінійний характері і на діаграмі Мозлі виглядає як ряд прямих ліній для кожного значення n.
Значення n відповідають окремим серіям піків характеристичного рентгенівського випромінювання. Закон Мозлі дозволяє за вимірюваними значеннями довжин хвиль (вони однозначно пов'язані з частотами) максимумів рентгенівського спектру встановлювати порядковий номер хімічного елемента, що опромінюється жорсткими електронами.
Структура електронних оболонок хімічних елементів ідентична. На це вказує монотонність зміни зсуву характеристичного спектру рентгенівського випромінювання. Частотний зсув відбиває не структурні, а енергетичні різницю між електронними оболонками, унікальні кожному за елемента.
Існують невеликі відхилення від суворої лінійної залежності, що виражається законом Мозлі. Вони пов'язані, по-перше, з особливостями порядку заповнення електронних оболонок деяких елементів, і, по-друге, з релятивістськими ефектами руху електронів важких атомів. Крім того, при зміні кількості нейтронів в ядрі (так званому ізотопічному зсуві) положення ліній може змінюватися. Цей ефект дозволив детально вивчити атомну структуру.
Значення закону Мозлі надзвичайно велике. Послідовне застосування його до елементів періодичної системи Менделєєва встановило закономірність збільшення порядкового номера відповідно до кожного невеликого зсуву характеристичних максимумів. Це сприяло проясненню питання фізичному сенсі порядкового номера елементів. Величина Z - це не просто номер: це позитивний електричний заряд ядра, що є сумою одиничних позитивних зарядів частинок, що входять до його складу. Правильність розміщення елементів у таблиці та наявність у ній порожніх позицій (тоді вони ще існували) отримали сильне підтвердження. Було доведено справедливість періодичного закону.
Закон Мозлі, крім цього, став основою, де виник цілий напрямок експериментальних досліджень - рентгенівська спектрометрія.
Коротко згадаємо, як влаштована електронна Вона складається з оболонок, що позначаються буквами K, L, M, N, O, P, Q або цифрами від 1 до 7. Електрони в межах оболонки характеризуються однаковим основним квантовим числом n, що визначає можливі значення енергії. У зовнішніх оболонках енергія електронів вища, а потенціал іонізації для зовнішніх електронів відповідно нижче.
Оболонка включає один або кілька підрівнів: s, p, d, f, g, h, i. У кожній оболонці кількість підрівнів збільшується на один, порівняно з попередньою. Кількість електронів у кожному підрівні та в кожній оболонці не може перевищувати певного значення. Вони характеризуються, крім головного квантового числа, однаковим значенням орбітальної визначальної форми електронної хмари. Підрівні позначаються із зазначенням оболонки, якій вони належать, наприклад, 2s, 4d тощо.
Підрівень містить які задаються, крім головного та орбітального, ще одним квантовим числом - магнітним, що визначає проекцію орбітального моменту електрона на напрямок магнітного поля. Одна орбіталь може мати не більше двох електронів, що відрізняються значенням четвертого квантового числа – спинового.
Розглянемо докладніше, як з'являється характеристичне рентгенівське випромінювання. Оскільки походження цього електромагнітної емісії пов'язані з явищами, що відбуваються всередині атома, найзручніше описувати його у наближенні електронних конфігурацій.
Отже, причиною виникнення даного випромінювання є утворення електронних вакансій у внутрішніх оболонках, обумовлене проникненням високоенергійних електронів глибоко всередину атома. Імовірність те, що жорсткий електрон вступить у взаємодію, зростає зі збільшенням щільності електронних хмар. Отже, найбільш ймовірним буде зіткнення в межах щільно упакованих внутрішніх оболонок, наприклад, нижньої К-оболонки. Тут атом іонізується і в оболонці 1s утворюється вакансія.
Ця вакансія заповнюється електроном з оболонки з більшою енергією, надлишок якої забирається рентгенівським фотоном. Цей електрон може «впасти» з другої оболонки L, третьої М і так далі. Так формується характеристична серія, у цьому прикладі - К-серия. Вказівка на те, звідки відбувається електрон, що заповнив вакансію, дається у вигляді грецького індексу при позначенні серії. "Альфа" означає, що він походить з L-оболонки, "бета" - з М-оболонки. В даний час існує тенденція до заміни грецьких буквених індексів латинськими, прийнятими для позначення оболонок.
Інтенсивність альфа-лінії в серії завжди найвища – це означає, що ймовірність заповнення вакансії із сусідньої оболонки найвища.
Тепер ми можемо відповісти на питання, якою є максимальна енергія кванта характеристичного рентгенівського випромінювання. Вона визначається різницею значень енергії рівнів, між якими відбувається перехід електрона, за формулою E = E n 2 - E n 1 де E n 2 і E n 1 - енергії електронних станів, між якими відбувся перехід. Найвище значення цього параметра дають переходи до серії з максимально високих рівнів атомів важких елементів. Але інтенсивність цих ліній (висота піків) найменша, оскільки найменш ймовірні.
Якщо через недостатність напруги на електродах жорсткий електрон не може досягти К-рівня, він утворює вакансію на L-рівні, і формується менш енергійна L-серія з більшими довжинами хвиль. Аналогічним чином народжуються такі серії.
Крім того, під час заповнення вакансії в результаті електронного переходу виникає нова вакансія у вищій оболонці. Це створює умови для створення наступної серії. Електронні вакансії переміщуються вище рівня на рівень, і атом випускає каскад характеристичних спектральних серій, залишаючись у своїй іонізованим.
Атомним рентген-спектрам характеристичного рентгенівського випромінювання властива тонка структура, що виражається, як і оптичних спектрах, в розщепленні ліній.
Тонка структура пов'язана з тим, що енергетичний рівень – електронна оболонка – являє собою набір тісно розташованих компонентів – підболочок. Для характеристики підболінок введено ще одне, внутрішнє квантове число j, що відображає взаємодію власного та орбітального магнітних моментів електрона.
У зв'язку з впливом спін-орбітальної взаємодії енергетична структура атома ускладнюється, і в результаті характеристичне рентгенівське випромінювання має спектр, що має розщеплені лінії з дуже близько розташованими елементами.
Елементи тонкої структури прийнято позначати додатковими цифровими індексами.
Характеристичне рентгенівське випромінювання має особливість, відображену тільки в тонкій структурі спектра. Перехід електрона на нижчий енергетичний рівень не відбувається з нижньої підболочки вищого рівня. Така подія має дуже малу ймовірність.
Це випромінювання завдяки своїм особливостям, описаним законом Мозлі, є основою різних рентгеноспектральних методів аналізу речовин. При аналізі рентгенівського спектру застосовують або дифракцію випромінювання на кристалах (хвильоводисперсійний метод), або чутливі до енергії поглинених рентгенівських фотонів детектори (енергодисперсійний метод). Більшість електронних мікроскопів оснащені тими чи іншими рентгеноспектрометричними приставками.
Особливо високою точністю відрізняється хвилодисперсійна спектрометрія. За допомогою спеціальних фільтрів виділяються найінтенсивніші піки в діапазоні, завдяки чому можна отримати фактично монохроматичне випромінювання з точно відомою частотою. Матеріал анода вибирається дуже ретельно, щоб забезпечити одержання монохроматичного пучка потрібної частоти. Його дифракція на кристалічній решітці речовини, що вивчається, дозволяє досліджувати структуру решітки з великою точністю. Цей метод застосовується також у вивченні ДНК та інших складних молекул.
Одна з особливостей характеристичного рентгенівського випромінювання враховується й у гамма-спектрометрії. Це висока інтенсивність характеристичних піків. У гамма-спектрометрах застосовується свинцевий захист від зовнішніх фонових випромінювань, що вносять перешкоди вимірювання. Але свинець, поглинаючи гамма-кванти, відчуває внутрішню іонізацію, у результаті активно випромінює в рентгенівському діапазоні. Для поглинання інтенсивних максимумів характеристичного рентгенівського випромінювання свинцю використовують додаткове кадмієве екранування. Вона, у свою чергу, іонізується і випромінює в рентгені. Для нейтралізації характеристичних піків кадмію застосовують третій шар, що екранує, - мідний, рентгенівські максимуми якого лежать поза робочим діапазоном частот гамма-спектрометра.
Спектрометрія використовує і гальмівне і характеристичне рентгенівське випромінювання. Так, під час аналізу речовин досліджуються спектри поглинання суцільного рентгену різними речовинами.
Відкриття та досягнення у вивченні основних властивостей рентгенівських променів з повним правом належить німецькому вченому Вільгельму Конраду Рентгену. Дивовижні властивості відкритих ним X-променів відразу отримали величезний резонанс у вченому світі. Хоча тоді, далекого 1895 року, вчений навряд міг припустити, яку користь, котрий іноді шкода може принести рентгенівське випромінювання.
Давайте з'ясуємо в цій статті, як цей вид випромінювання впливає на здоров'я людини.
Перше питання, яке зацікавило дослідника, – що таке рентгенівське випромінювання? Ряд експериментів дозволив переконатися, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 -8 см, що займає проміжне положення між ультрафіолетовим та гамма-випромінюванням.
Всі перелічені аспекти руйнівної дії таємничих X-променів зовсім не виключають напрочуд великі аспекти їх застосування. Де ж застосовується рентгенівське випромінювання?
Найважливіші застосування рентгенівського випромінювання стали можливими завдяки дуже малим довжинам всього діапазону цих хвиль та їх унікальним властивостям.
Так як нас цікавить вплив рентгенівського випромінювання на людей, які стикаються з ним лише під час медичного обстеження чи лікування, то далі ми розглядатимемо лише цю сферу застосування рентгену.
Незважаючи на особливе значення свого відкриття Рентген не став брати патент на його використання, зробивши безцінним подарунком для всього людства. Вже у Першої світової війни почали використовувати рентгенівські установки, що дозволяли швидко і точно ставити діагнози пораненим. Зараз можна виділити дві основні сфери застосування рентгенівських променів у медицині:
Рентгенодіагностика використовується у різних варіантах:
Розберемося на відміну від цих методів.
Всі перелічені методи діагностики засновані на здатності рентгенових променів засвічувати фотоплівку і різної проникності їх для тканин і кісткового скелета.
Здатність рентгенових променів надавати біологічну дію на тканини, у медицині використовують для терапії пухлин. Іонізуюча дія цього випромінювання найбільш активно проявляється у впливі на клітини, що швидко діляться, якими і є клітини злоякісних пухлин.
Однак, слід знати і про побічні ефекти, що неминуче супроводжують рентгенотерапію. Справа в тому, що швидко діляться також клітини кровотворних, ендокринних, імунних систем. Негативно вплив на них породжує ознаки променевої хвороби.
Незабаром після чудового відкриття X-променів виявилося, що рентгенівське випромінювання впливає на людину.
Ці дані отримані при експериментах на піддослідних тварин, однак генетики припускають, що подібні наслідки можуть поширюватися і на людський організм.
Вивчення наслідків рентгенівського опромінення дозволило розробити міжнародні стандарти на допустимі дози опромінення.
Після відвідування рентген-кабінету багато пацієнтів відчувають занепокоєння, - як отримана доза радіації позначиться на здоров'ї?
Доза загального опромінення організму залежить від характеру процедури, що проводиться. Для зручності зіставлятимемо одержувану дозу з природним опроміненням, яке супроводжує людину все життя.
Ці дози опромінення відповідають допустимим стандартам, але якщо пацієнт перед проходженням рентгена відчуває тривогу, він має право попросити спеціальний захисний фартух.
Рентгенівському обстеженню кожна людина змушена неодноразово піддаватися. Але є правило - цей метод діагностики не можна призначати вагітним жінкам. Ембріон, що розвивається, надзвичайно вразливий. Рентгенівські промені можуть викликати аномалії хромосом і, як наслідок, народження дітей із вадами розвитку. Найуразливішим у цьому плані є термін вагітності до 16 тижнів. Причому найбільш небезпечний для майбутнього малюка рентген хребта, тазової та черевної ділянок.
Знаючи про згубний вплив рентгенівського випромінювання на вагітність, лікарі всіляко уникають використовувати його у відповідальний період у житті жінки.
Однак є побічні джерела рентгенівських випромінювань:
Майбутнім матусям слід знати про небезпеку, що виходить від них.
Для матерів-годувальниць рентгенодіагностика небезпеки не становить.
Щоб уникнути навіть мінімальних наслідків рентгенівського опромінення, можна зробити деякі прості дії:
Але ніякі лікувальні процедури або спеціальні заходи для виведення радіації після рентгена не потрібні!
Незважаючи на безперечно серйозні наслідки від впливу рентгенівських променів, не слід переоцінювати їх небезпеку при медичних обстеженнях - вони проводяться лише на певних ділянках тіла і дуже швидко. Користь від них значно перевищує ризик цієї процедури для людського організму.
1895 року німецький фізик В.Рентген відкрив новий, не відомий раніше вид електромагнітного випромінювання, яке на честь його першовідкривача було названо рентгенівським. В. Рентген став автором свого відкриття у віці 50 років, обіймаючи посаду ректора Вюрцбурзького Університету та маючи репутацію одного з найкращих експериментаторів свого часу. Одним із перших знайшов технічне застосування відкриття Рентгена американець Едісон. Він створив зручний демонстраційний апарат і вже в травні 1896 року організував у Нью-Йорку рентгенівську виставку, на якій відвідувачі могли розглядати власну руку на екрані, що світиться. Після того, як помічник Едісона помер від важких опіків, які він отримав під час постійних демонстрацій, винахідник припинив подальші досліди з рентгенівськими променями.
Рентгенівське випромінювання стали застосовувати у медицині у зв'язку з його великою проникаючою здатністю. Спочатку рентгенівське випромінювання використовувалося для дослідження переломів кісток і визначення розташування сторонніх тіл у тілі людини. Нині є кілька методів, заснованих на рентгенівському випромінюванні. Але ці методи мають свої недоліки: випромінювання може викликати глибокі пошкодження шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходили в рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Рентгеноскопія(Синонім просвічування) - один з основних методів рентгенологічного дослідження, що полягає в отриманні на екрані, що просвічує (флюоресціює) площинного позитивного зображення досліджуваного об'єкта. При рентгеноскопії досліджуваний знаходиться між екраном, що просвічує, і рентгенівською трубкою. На сучасних рентгенівських екранах, що просвічують, зображення виникає в момент включення рентгенівської трубки і зникає відразу ж після її вимкнення. Рентгеноскопія дає можливість вивчити функцію органу – пульсацію серця, дихальні рухи ребер, легень, діафрагми, перистальтику органів травного тракту тощо. Рентгеноскопія використовується при лікуванні захворювань шлунка, шлунково-кишкового тракту, 12-палої кишки, захворювань печінки, жовчного міхура та жовчовивідних шляхів. При цьому медичний зонд та маніпулятори вводять без пошкодження тканин, а дії в процесі операції контролюються рентгеноскопією та видно на моніторі.
Рентгенографія -метод рентгенодіагностики з реєстрацією нерухомого зображення на світлочутливому матеріалі – спец. фотоплівка (рентгенівська плівка) або фотопапір з подальшою фотообробкою; при цифровій рентгенографії зображення фіксується у пам'яті комп'ютера. Виконується на рентгенодіагностичних апаратах – стаціонарних, встановлених у спеціально обладнаних рентгенівських кабінетах, або пересувних та переносних – біля ліжка хворого або в операційній. На рентгенограмах значно виразніше, ніж на флюоресцентному екрані, відображаються елементи структур різних органів. Рентгенографію виконують з метою виявлення та профілактики різних захворювань, основна мета її допомогти лікарям різних спеціальностей правильно та швидко поставити діагноз. Рентгенівський знімок фіксує стан органу чи тканини лише у момент зйомки. Однак одноразова рентгенограма фіксує лише анатомічні зміни у певний момент, вона дає статику процесу; за допомогою серії рентгенограм, зроблених через певні проміжки часу, можна вивчити динаміку процесу, тобто функціональні зміни. Томографія.Слово томографія можна перекласти з грецької як "Зображення зрізу".Це означає, що призначення томографії – отримання пошарового зображення внутрішньої структури об'єкта дослідження. Комп'ютерна томогарфія характеризується високою роздільною здатністю, яка дозволяє розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КТ дозволяє зменшити дозу рентгенівського випромінювання, одержуваного у процесі діагностики пацієнтами.
Флюорографія- діагностичний метод, що дозволяє отримати зображення органів і тканин, був розроблений ще наприкінці 20-го століття, через рік після того, як було виявлено рентгенівське проміння. На знімках можна розглянути склероз, фіброз, сторонні предмети, новоутворення, запалення, що мають розвинений ступінь, присутність у порожнинах газів та інфільтрату, абсцеси, кісти тощо. Найчастіше проводиться флюорографія грудної клітки, що дозволяє виявити туберкульоз, злоякісну пухлину в легенях або грудях та інші патології.
Рентгенотерапія- Це сучасний метод, за допомогою якого проводиться лікування деяких патологій суглобів. Основними напрямками лікування ортопедичних захворювань даним методом є: Хронічні. Запальні процеси суглобів (артрит, поліартрит); Дегенеративні (остеоартроз, остеохондроз, деформуючий спондильоз). Метою рентгенотерапіїє пригнічення життєдіяльності клітин патологічно змінених тканин або повне їхнє руйнування. При непухлинних захворюваннях рентгенотерапія спрямована на пригнічення запальної реакції, пригнічення проліферативних процесів, зниження больової чутливості та секреторної активності залоз. Слід враховувати, що найбільш чутливі до рентгенівських променів статеві залози, кровотворні органи, лейкоцити, клітини злоякісних пухлин. Дозу опромінення у кожному конкретному випадку визначають індивідуально.
За відкриття рентгенівських променів Рентгену 1901 року було присуджено першу Нобелівську премію з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття.
Таким чином, рентгенівські промені є невидимим електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі 105 - 102 нм. Рентгенівські промені можуть проникати через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Випускаються вони при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр). Джерелами рентгенівського випромінювання є: рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання). Приймачі – фотоплівка, люмінісцентні екрани, детектори ядерних випромінювань. Рентгенівські промені застосовують у рентгеноструктурному аналізі, медицині, дефектоскопії, рентгенівському спектральному аналізі тощо.
Сучасну медичну діагностику та лікування деяких захворювань неможливо уявити без приладів, які використовують властивості рентгенівського випромінювання. Відкриття рентгенівських променів відбулося понад 100 років тому, але й зараз не припиняються роботи над створенням нових методик та апаратів, що дозволяють мінімізувати негативну дію випромінювання на організм людини.
У природних умовах потік променів рентгена трапляється рідко і випромінюється лише деякими радіоактивними ізотопами. Рентгенівське випромінювання або Х-промені були виявлені лише в 1895 німецьким вченим Wilhelm Röntgen. Це відкриття сталося випадково, під час проведення досвіду дослідження поведінки променів світла за умов, наближаються до вакууму. В експерименті були задіяні катодна газорозрядна трубка зі зниженим тиском і флуоресцентний екран, який щоразу починав світитися в момент, коли трубка починала діяти.
Зацікавившись дивним ефектом, Рентген провів серію досліджень, що показують що випромінювання, що виникає не видиме оку, здатне проникати крізь різні перешкоди: папір, дерево, скло, деякі метали, і навіть через людське тіло. Незважаючи на відсутність розуміння самої природи того, що відбувається, викликане таке явище генерацією потоку невідомих частинок або хвилями, була відзначена наступна закономірність - випромінювання легко проходить через м'які тканини організму, і набагато важче крізь тверді живі тканини та неживі речовини.
Рентген був не першим, хто вивчав подібне явище. У середині XIX століття подібні можливості вивчав француз Антуан Масон і англієць Вільям Крукс. Тим не менш, саме Рентген першим винайшов катодну трубку та індикатор, який можна було застосувати у медицині. Він першим опублікував наукову працю, яка принесла йому звання першого нобелівського лауреата серед фізиків.
У 1901 році почалося плідне співробітництво трьох вчених, які стали батьками-засновниками радіології та рентгенології.
Рентгенівські промені – це складова частиназагального діапазону електромагнітного випромінювання. Довжина хвилі розташована між гамма- та ультрафіолетовим променями. Для Х-променів характерні всі типові хвильові характеристики:
Для штучного генерування потоку рентгенівських променів застосовують спеціальні прилади – трубки рентгенівські. Рентген-випромінювання виникає через контакт швидких електронів вольфраму з речовинами, що випаровуються з розжареного анода. З огляду на взаємодії виникають електромагнітні хвилі малої довжини, що у спектрі від 100 до 0,01 нм й у енергетичному діапазоні 100-0,1 МеВ. Якщо довжина хвилі променів менше ніж 0,2 нм – це жорстке випромінювання, якщо довжина хвилі більша за вказану величину, їх називають м'якими рентгенівськими променями.
Показово те, що кінетична енергія, що виникає від дотику електронів та анодної речовини, на 99% перетворюється на енергію тепла і лише 1% є Х-променями.
Х-випромінювання є накладенням двох видів променів – гальмівних і характеристичних. Вони генеруються у трубці одночасно. Тому опромінення рентгеном і характеристика кожної конкретної рентгенівської трубки – спектр її випромінювання залежить від цих показників і є їх накладенням.
Гальмівне або безперервне рентгенівське проміння – це результат гальмування електронів, що випаровуються з вольфрамової спіралі.
Характеристичні чи лінійчасті промені рентгена утворюються на момент перебудови атомів речовини анода рентгенівської трубки. Довжина хвилі характеристичних променів безпосередньо залежить від атомного номера хімічного елемента, що використовується виготовлення анода трубки.
Перелічені властивості рентгенівських променів дозволяють застосовувати їх на практиці:
Властивості рентгенівських променів, на яких ґрунтується отримання зображення – це здатність або розкладати, або викликати свічення деяких речовин.
Рентген опромінення викликає флуоресцентне світіння у сульфідів кадмію та цинку – зеленим, а у вольфрамату кальцію – блакитним кольором. Ця властивість використовується у методиці медичного рентгенологічного просвічування, а також підвищує функціональність рентгенологічних екранів.
Фотохімічна дія рентгенівських променів на світлочутливі галогенсрібні матеріали (засвічування) дозволяє здійснювати діагностику – робити рентгенологічні знімки. Ця властивість також використовується при вимірі сумарної дози, яку отримують лаборанти в рентген-кабінетах. У натільних дозиметрах вставлені спеціальні чутливі стрічки та індикатори. Іонізуюча дія рентгенівського випромінювання дозволяє визначати і якісну характеристику одержаних рентген-променів.
Одноразове опромінення при виконанні звичайної рентгенографії підвищує ризик виникнення раку лише на 0,001%.
Застосування рентгенівських променів припустимо у таких галузях:
Головне застосування рентгенівського випромінювання – медична сфера. Сьогодні до розділу медичної радіології входять: радіодіагностика, радіотерапія (рентгенотерапія), радіохірургія. Медичні виші випускають вузькопрофільних фахівців – лікарів-радіологів.
Висока проникаюча здатність та іонізуюча дія рентгенівських променів може викликати зміну структури ДНК клітини, тому становить небезпеку для людини. Шкода від рентгенівського випромінювання прямо пропорційна отриманій дозі опромінення. Різні органи реагують на опромінення різною мірою. До сприйнятливих відносять:
Безконтрольне використання рентгенівського опромінення може стати причиною оборотних та незворотних патологій.
Наслідки рентгенівського опромінення:
Важливо! На відміну від радіоактивних речовин, рентгенівські промені не накопичуються в тканинах тіла, а це означає, що виводити рентгенівські промені з організму не потрібно. Шкідлива дія рентгенівського випромінювання закінчується разом із виключенням медичного приладу.
Застосування рентгенівського випромінювання у медицині припустимо у діагностичних (травматологія, стоматологія), а й у терапевтичних цілях:
Радіодіагностика включає такі методики:
Терапія за допомогою рентгенівського проміння відноситься до методів місцевого лікування. Найчастіше метод використовується для знищення клітин ракових пухлин. Оскільки ефект впливу можна порівняти з хірургічним видаленням, цей метод лікування часто називають радіохірургією.
Сьогодні лікування х-променями проводиться такими способами:
Ці методи є щадними, а їх застосування краще хіміотерапії в ряді випадків. Така популярність пов'язана з тим, що промені не накопичуються і не вимагають виведення з організму, вони мають вибіркову дію, не впливаючи на інші клітини та тканини.
Цей показник норми допустимого річного опромінення має свою назву – генетично значуща еквівалентна доза (ГЗД). Чітких кількісних значень цей показник немає.
Сьогодні дію такі середні нормативи ГЗД:
Рентгенівське випромінювання не вимагає виведення з організму, і є небезпечним лише у разі інтенсивного та тривалого впливу. Сучасна медична апаратура використовує низькоенергетичне опромінення малої тривалості, тому застосування вважається відносно нешкідливим.
Хоча вчені відкрили ефект рентгена тільки з 1890-х, застосування рентгенівського випромінювання в медицині для цієї природної сили пройшло швидко. Сьогодні на благо людства рентгенівське електромагнітне випромінювання використовується у медицині, наукових колах та промисловості, а також для генерації електроенергії.
Крім того випромінювання має корисні програми в таких областях, як сільське господарство, археологія, космос, робота на правоохоронні органи, геологія (включаючи гірничодобувну промисловість) та багато інших видів діяльності, навіть розробляються автомобілі із застосуванням явища ядерного поділу.
У медичних закладах лікарі та стоматологи використовують різні ядерні матеріали та процедури для діагностики, моніторингу та лікування широкого асортименту метаболічних процесів та захворювань в організмі людини. В результаті медичні процедури з використанням променів врятували тисячі життів шляхом виявлення та лікування захворювань, починаючи від гіперфункції щитовидної залози до раку кістки.
Найбільш поширені з цих медичних процедур включають використання променів, які можуть пройти через шкіру. Коли виконується знімок, наші кістки та інші структури ніби відкидають тіні, тому що вони щільніші за нашу шкіру, і ці тіні можуть бути виявлені на плівці або екрані монітора. Ефект схожий на розміщення олівця між аркушем паперу та світлом. Тінь від олівця буде видно на аркуші паперу. Різниця полягає в тому, що промені невидимі, так що необхідний елемент, що реєструє, щось типу фотоплівки. Це дозволяє лікарям та стоматологам оцінити застосування рентгенівського випромінювання побачивши зламані кістки чи проблеми із зубами.
Застосування рентгенівського випромінювання цільовим чином лікувальних цілях як виявлення пошкоджень. При спеціалізованому використанні воно призначене, щоб убити ракові тканини, зменшити розмір пухлини або зменшити біль. Наприклад, радіоактивний йод (зокрема йод-131) часто використовується для лікування раку щитовидної залози, від захворювання від якої страждає багато людей.
Апарати, що використовують цю властивість, також підключаються до комп'ютерів і сканують, називаючись: комп'ютерна осьова томографія або комп'ютерна томографія.
Ці інструменти забезпечують лікарям кольорове зображення, що показує контури та деталі внутрішніх органів. Це допомагає лікарям виявляти та ідентифікувати пухлини, розмір аномалій чи інші проблеми фізіологічних чи функціональних органів.
Крім того, лікарні та радіологічні центри виконують мільйони процедур щорічно. У таких процедурах лікарі запускають злегка радіоактивні речовини в тіло пацієнтів, щоб переглянути деякі внутрішні органи, наприклад, підшлункову залозу, нирки, щитовидну залозу, печінку або головний мозок для діагностики клінічних умов.
