Използването на рентгенови лъчи. Анализ на несъвършенствата в кристалната структура. Излагане на рентгенови лъчи на бременни жени

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ПО ОБРАЗОВАНИЕТО НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

ДЪРЖАВНО УЧЕБНО ЗАВЕДЕНИЕ

ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

МОСКОВСКИЯТ ДЪРЖАВЕН ИНСТИТУТ ПО СТОМАНИ И СПЛАВИ

(ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ)

КЛОН НОВОТРОИЦКИ

Отдел на ОЕНД

КУРСОВА РАБОТА

Дисциплина: Физика

Тема: РЕНТГЕН

Студент: Недорезова Н.А.

Група: EiU-2004-25, № З.К.: 04Н036

Проверено от: Ожегова С.М.

Въведение

Глава 1

1.1 Биография на Рентген Вилхелм Конрад

1.2 Откриване на рентгеновите лъчи

Глава 2

2.1 Източници на рентгенови лъчи

2.2 Свойства на рентгеновите лъчи

2.3 Регистриране на рентгенови снимки

2.4 Използване на рентгенови лъчи

Глава 3

3.1 Анализ на несъвършенствата на кристалната структура

3.2 Анализ на спектъра

Заключение

Списък на използваните източници

Приложения

Въведение

Рядък човек не е минавал през рентгенов кабинет. Снимките, направени с рентгенови лъчи, са познати на всички. През 1995 г. това откритие беше на 100 години. Трудно е да си представим какъв голям интерес е предизвикал преди век. В ръцете на човек се оказа апарат, с който е възможно да се види невидимото.

Това невидимо лъчение, способно да проникне, макар и в различна степен, във всички вещества, което е електромагнитно лъчение с дължина на вълната около 10 -8 cm, беше наречено рентгеново лъчение в чест на Вилхелм Рьонтген, който го откри.

Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи причиняват почерняване на фотографския филм. Това свойство е от голямо значение за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и след това падайки върху филма, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата способност на рентгеновото лъчение е различна за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-светли области на снимката от тези, през които лъчението прониква добре. По този начин костните тъкани са по-малко прозрачни за рентгенови лъчи от тъканите, които изграждат кожата и вътрешните органи. Следователно на рентгеновата снимка костите ще бъдат показани като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-малко прозрачно за радиация, може да бъде доста лесно открито. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в промишлеността за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми, в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристали .

Откритието на Рьонтген е последвано от експерименти на други изследователи, които откриват много нови свойства и възможности за използване на това лъчение. Основен принос имат M. Laue, W. Friedrich и P. Knipping, които през 1912 г. демонстрират дифракцията на рентгеновите лъчи при преминаването им през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретява високовакуумна рентгенова тръба с нагрят катод; G. Moseley, който установи през 1913 г. връзката между дължината на вълната на радиацията и атомния номер на елемента; G. и L. Braggi, които получават Нобелова награда през 1915 г. за разработване на основите на рентгеновия дифракционен анализ.

Целта на тази курсова работа е да проучи феномена на рентгеновото лъчение, историята на откритието, свойствата и да определи обхвата на неговото приложение.

Глава 1

1.1 Биография на Рентген Вилхелм Конрад

Вилхелм Конрад Рьонтген е роден на 17 март 1845 г. в граничния регион на Германия с Холандия, в град Ленепе. Той получава техническото си образование в Цюрих в същото висше техническо училище (Политехника), където по-късно учи Айнщайн. Страстта към физиката го принуждава след напускане на училище през 1866 г. да продължи физическо възпитание.

През 1868 г. защитава дисертация за докторска степен по философия, работи като асистент в катедрата по физика първо в Цюрих, след това в Гисен, а след това в Страсбург (1874-1879) при Кунд. Тук Рьонтген преминава през добра експериментална школа и става първокласен експериментатор. Рентген извършва част от важните изследвания със своя ученик, един от основателите на съветската физика, А.Ф. Йофе.

Научните изследвания са свързани с електромагнетизма, кристалната физика, оптиката, молекулярната физика.

През 1895 г. той открива радиация с дължина на вълната, по-къса от дължината на вълната на ултравиолетовите лъчи (рентгенови лъчи), по-късно наречени рентгенови лъчи, и изследва техните свойства: способността да отразяват, абсорбират, йонизират въздуха и т.н. Той предложи правилния дизайн на тръбата за получаване на рентгенови лъчи - наклонен платинен антикатод и вдлъбнат катод: той беше първият, който направи снимки с помощта на рентгенови лъчи. Той открива през 1885 г. магнитното поле на диелектрик, движещ се в електрическо поле (т.нар. „рентгенов ток“). Неговият опит ясно показва, че магнитното поле се създава от движещи се заряди и е важен за създаването на X. Lorentz електронна теория Значителен брой от трудовете на Рентген са посветени на изучаването на свойствата на течности, газове, кристали, електромагнитни явления, открива връзката между електрическите и оптичните явления в кристалите.За откриването на лъчите, които носят неговото име, Рентген през 1901 г. е първият сред физиците, удостоен с Нобелова награда.

От 1900 г. до последните дни от живота си (умира на 10 февруари 1923 г.) работи в Мюнхенския университет.

1.2 Откриване на рентгеновите лъчи

Краят на 19 век се характеризира с повишен интерес към феномена на преминаване на електричество през газове. Дори Фарадей сериозно изучава тези явления, описва различни форми на разряд, открива тъмно пространство в светеща колона от разреден газ. Фарадеевото тъмно пространство разделя синкавото катодно сияние от розовото анодно сияние.

По-нататъшното увеличаване на разреждането на газа значително променя природата на сиянието. Математикът Плюкер (1801-1868) открива през 1859 г., при достатъчно силно разреждане, слабо синкав сноп лъчи, излизащ от катода, достигащ до анода и предизвикващ светене на стъклото на тръбата. Ученикът на Плюкер Гиторф (1824-1914) през 1869 г. продължава изследванията на своя учител и показва, че върху флуоресцентната повърхност на тръбата се появява отчетлива сянка, ако между катода и тази повърхност се постави твърдо тяло.

Голдщайн (1850-1931), изучавайки свойствата на лъчите, ги нарича катодни лъчи (1876). Три години по-късно Уилям Крукс (1832-1919) доказва материалната природа на катодните лъчи и ги нарича "лъчиста материя" - вещество в особено четвърто състояние. Неговите доказателства са убедителни и ясни. Експериментите с "тръбата на Крукс" са по-късно демонстрирани във всички физически класни стаи. Отклоняването на катодния лъч от магнитно поле в тръба на Крукс се превърна в класическа училищна демонстрация.

Експериментите върху електрическото отклонение на катодните лъчи обаче не бяха толкова убедителни. Херц не открива такова отклонение и стига до извода, че катодният лъч е колебателен процес в етера. Ученикът на Херц Ф. Ленард, експериментирайки с катодни лъчи, през 1893 г. показва, че те преминават през прозорец, покрит с алуминиево фолио, и предизвикват сияние в пространството зад прозореца. Херц посвещава последната си статия, публикувана през 1892 г., на феномена на преминаване на катодни лъчи през тънки метални тела.Тя започва с думите:

„Катодните лъчи се различават значително от светлината по отношение на способността им да проникват през твърди частици.“ Описвайки резултатите от експериментите за преминаване на катодни лъчи през златни, сребърни, платинени, алуминиеви и др. листа, Херц отбелязва, че не наблюдавайте някакви специални разлики в явленията. Лъчите не преминават през листата по права линия, а се разсейват чрез дифракция. Естеството на катодните лъчи все още не е ясно.

Именно с такива тръби на Крукс, Ленард и други експериментира професорът от Вюрцбург Вилхелм Конрад Рьонтген в края на 1895 г. Веднъж, след края на експеримента, той затваря тръбата с черен картонен капак, изключва светлината, но не изключи индуктора, който захранваше тръбата, той забеляза сиянието на екрана от бариев цианоген, разположен близо до тръбата. Поразен от това обстоятелство, Рьонтген започва да експериментира с екрана. В първия си доклад „За нов вид лъчи“, датиран от 28 декември 1895 г., той пише за тези първи експерименти: „Парче хартия, покрито с бариев платинов цианид, когато се приближи до тръба, затворена с тънък черен капак картон, който приляга достатъчно плътно към него, при всяко изхвърляне той мига с ярка светлина: започва да флуоресцира. Флуоресценцията се вижда при достатъчно потъмняване и не зависи от това дали подаваме хартията със страна, покрита с бариев синероген или без покритие с бариев синероген. Флуоресценцията се забелязва дори на разстояние два метра от тръбата.“

Внимателното изследване показа на Рентген, „че черният картон, непрозрачен нито за видимите и ултравиолетовите лъчи на слънцето, нито за лъчите на електрическа дъга, е проникнат от някакъв вид агент, който причинява флуоресценция.“ Рентген изследва проникващата сила на това „ агент", който той нарича за краткост "рентгенови лъчи", за различни вещества. Той установява, че лъчите свободно преминават през хартия, дърво, ебонит, тънки слоеве метал, но се забавят силно от оловото.

След това той описва сензационното преживяване:

„Ако държите ръката си между изпускателната тръба и екрана, можете да видите тъмните сенки на костите в бледите очертания на сянката на самата ръка.“ Това беше първото рентгеново изследване на човешко тяло. също получи първите рентгенови снимки, като ги прикрепи към ръката си.

Тези снимки направиха огромно впечатление; откритието все още не беше завършено и рентгеновата диагностика вече беше започнала своя път. „Лабораторията ми беше наводнена с лекари, които водеха пациенти, които подозираха, че имат игли в различни части на тялото“, пише английският физик Шустер.

Още след първите експерименти Рьонтген твърдо установи, че рентгеновите лъчи се различават от катодните, те не носят заряд и не се отклоняват от магнитно поле, но се възбуждат от катодните лъчи. "Рентгеновите лъчи не са идентични с катодните лъчи, но те се възбуждат от тях в стъклените стени на разрядната тръба ”, пише Рьонтген.

Той също така установи, че те се възбуждат не само в стъкло, но и в метали.

Споменавайки хипотезата на Херц-Ленард, че катодните лъчи „са явление, което се случва в етера“, Рентген посочва, че „можем да кажем нещо подобно за нашите лъчи“. Въпреки това, той не успя да открие вълновите свойства на лъчите, те „се държат по различен начин от познатите досега ултравиолетови, видими, инфрачервени лъчи.“ Според Рентген те са подобни на ултравиолетовите лъчи в своите химически и луминесцентни действия. , той изрази оставеното по-късно предположение, че те могат да бъдат надлъжни вълни в етера.

Откритието на Рентген предизвика голям интерес в научния свят. Опитите му са повторени в почти всички лаборатории по света. В Москва те бяха повторени от P.N. Лебедев. В Санкт Петербург изобретателят на радиото А.С. Попов експериментира с рентгенови лъчи, демонстрира ги на публични лекции, получава различни рентгенови лъчи. В Cambridge D.D. Томсън веднага прилага йонизиращия ефект на рентгеновите лъчи, за да изследва преминаването на електричество през газове. Неговото изследване доведе до откриването на електрона.

Глава 2

Рентгеново лъчение - електромагнитно йонизиращо лъчение, заемащо спектралната област между гама и ултравиолетово лъчение с дължини на вълните от 10 -4 до 10 3 (от 10 -12 до 10 -5 cm).R. л. с дължина на вълната λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - мека.

2.1 Източници на рентгенови лъчи

Най-често срещаният източник на рентгенови лъчи е рентгеновата тръба. - електровакуумно устройство служи като източник на рентгенови лъчи. Такова излъчване възниква, когато електроните, излъчени от катода, се забавят и ударят анода (антикатода); в този случай енергията на електроните, ускорени от силно електрическо поле в пространството между анода и катода, частично се преобразува в рентгенова енергия. Излъчването на рентгеновата тръба е суперпозиция на рентгеновото спирачно лъчение върху характеристичното излъчване на анодния материал. Рентгеновите тръби се различават: според метода на получаване на електронен поток - с термоелектронен (нагрят) катод, полево-емисионен (заострен) катод, бомбардиран с положителни йони катод и с радиоактивен (β) електронен източник; според метода на вакуумиране - запечатани, сгъваеми; според времето на излъчване - непрекъснато действие, импулсни; според вида на анодното охлаждане - с водно, маслено, въздушно, радиационно охлаждане; според големината на фокуса (площта на излъчване на анода) - макрофокус, остър фокус и микрофокус; според формата - пръстеновидни, кръгли, щриховати; според метода на фокусиране на електрони върху анода - с електростатично, магнитно, електромагнитно фокусиране.

Рентгеновите тръби се използват в рентгеноструктурния анализ (Приложение 1), рентгеноспектрален анализ, дефектоскопия (Приложение 1), рентгенова диагностика (Приложение 1), лъчелечение , рентгенова микроскопия и микрорадиография. Запечатаните рентгенови тръби с термоелектронен катод, анод с водно охлаждане и система за електростатично фокусиране на електрони са най-широко използвани във всички области (Приложение 2). Термоелектронният катод на рентгеновите тръби обикновено е спирална или права нишка от волфрамова жица, нагрята от електрически ток. Работната част на анода - метална огледална повърхност - е разположена перпендикулярно или под някакъв ъгъл спрямо потока на електроните. За получаване на непрекъснат спектър на рентгеново лъчение с високи енергии и интензитет се използват аноди от Au, W; В структурния анализ се използват рентгенови тръби с аноди Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Основните характеристики на рентгеновите тръби са максимално допустимото ускоряващо напрежение (1-500 kV), електронен ток (0,01 mA - 1A), специфична мощност, разсейвана от анода (10-10 4 W / mm 2), обща консумация на енергия (0,002 W - 60 kW) и размери на фокуса (1 µm - 10 mm). Ефективността на рентгеновата тръба е 0,1-3%.

Някои радиоактивни изотопи също могат да служат като източници на рентгенови лъчи. : някои от тях директно излъчват рентгенови лъчи, ядреното лъчение на други (електрони или λ-частици) бомбардират метална цел, която излъчва рентгенови лъчи. Интензитетът на рентгеновите лъчи на изотопните източници е с няколко порядъка по-малък от интензитета на излъчване на рентгенова тръба, но размерите, теглото и цената на изотопните източници са несравнимо по-малки от тези с рентгенова тръба.

Синхротроните и пръстените за съхранение на електрони с енергия от няколко GeV могат да служат като източници на меки рентгенови лъчи с λ от порядъка на десетки и стотици. По интензитет рентгеновото излъчване на синхротроните превишава излъчването на рентгеновата тръба в определената област на спектъра с 2-3 порядъка.

Естествени източници на рентгенови лъчи - Слънцето и други космически обекти.

2.2 Свойства на рентгеновите лъчи

В зависимост от механизма на възникване на рентгеновите лъчи спектрите им могат да бъдат непрекъснати (тормозно) или линейни (характерни). Непрекъснат рентгенов спектър се излъчва от бързо заредени частици в резултат на тяхното забавяне при взаимодействие с целевите атоми; този спектър достига значителна интензивност само когато целта е бомбардирана с електрони. Интензитетът на спирачните рентгенови лъчи се разпределя по всички честоти до високочестотната граница 0 , при която енергията на фотона h 0 (h е константата на Планк ) е равна на енергията eV на бомбардиращите електрони (e е зарядът на електрона, V е потенциалната разлика на ускоряващото поле, преминало през тях). Тази честота съответства на ръба на късата дължина на вълната на спектъра 0 = hc/eV (c е скоростта на светлината).

Линейното излъчване възниква след йонизацията на атом с изхвърляне на електрон от една от вътрешните му обвивки. Такава йонизация може да бъде резултат от сблъсък на атом с бърза частица, като например електрон (първични рентгенови лъчи), или поглъщането на фотон от атом (флуоресцентни рентгенови лъчи). Йонизираният атом се намира в начално квантово състояние на едно от високите енергийни нива и след 10 -16 -10 -15 секунди преминава в крайно състояние с по-ниска енергия. В този случай атомът може да излъчва излишък от енергия под формата на фотон с определена честота. Честотите на линиите на спектъра на такова лъчение са характерни за атомите на всеки елемент, поради което линейният рентгенов спектър се нарича характерен. Зависимостта на честотата на линията на този спектър от атомния номер Z се определя от закона на Моузли.

Закон на Моузли, законът, свързващ честотата на спектралните линии на характеристичното рентгеново излъчване на химичен елемент с неговия сериен номер. G. Moseley експериментално инсталиран през 1913 г. Съгласно закона на Моузли квадратният корен от честотата  на спектралната линия на характеристичното излъчване на даден елемент е линейна функция на неговия пореден номер Z:

където R е константата на Ридберг , S n - скрининг константа, n - главно квантово число. На диаграмата на Moseley (Приложение 3), зависимостта от Z е серия от прави линии (K-, L-, M- и т.н. серии, съответстващи на стойностите n = 1, 2, 3,.).

Законът на Моузли беше неопровержимо доказателство за правилното разположение на елементите в периодичната таблица на елементите DI. Менделеев и допринесе за изясняването на физическия смисъл на Z.

В съответствие със закона на Моузли рентгеновите характеристични спектри не показват периодичните модели, присъщи на оптичните спектри. Това показва, че вътрешните електронни обвивки на атомите на всички елементи, които се появяват в характеристичните рентгенови спектри, имат подобна структура.

По-късните експерименти разкриха някои отклонения от линейната зависимост за преходните групи елементи, свързани с промяна в реда на запълване на външните електронни обвивки, както и за тежките атоми, в резултат на релативистични ефекти (условно обяснени с факта, че скоростите на вътрешните са сравними със скоростта на светлината).

В зависимост от редица фактори - от броя на нуклоните в ядрото (изотонично изместване), състоянието на външните електронни обвивки (химическо изместване) и т.н. - позицията на спектралните линии на диаграмата на Моузли може да се промени до известна степен. Изследването на тези смени позволява да се получи подробна информация за атома.

Рентгеновите лъчи на Bremsstrahlung, излъчвани от много тънки цели, са напълно поляризирани близо до 0; когато 0 намалява, степента на поляризация намалява. Характеристичното излъчване, като правило, не е поляризирано.

Когато рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, може да възникне фотоелектричен ефект. , придружаващ поглъщането на рентгенови лъчи и тяхното разсейване, фотоелектричният ефект се наблюдава, когато атом, поглъщащ рентгенов фотон, изхвърля един от вътрешните си електрони, след което може или да направи радиационен преход, излъчвайки фотон с характеристика радиация или изхвърляне на втори електрон по време на нерадиационен преход (Оже електрон). Под въздействието на рентгенови лъчи върху неметални кристали (например върху каменна сол) в някои възли на атомната решетка се появяват йони с допълнителен положителен заряд и в близост до тях се появяват излишни електрони. Такива смущения в структурата на кристалите, наречени рентгенови екситони , са цветни центрове и изчезват само при значително повишаване на температурата.

Когато рентгеновите лъчи преминават през слой вещество с дебелина x, първоначалният им интензитет I 0 намалява до стойността I = I 0 e - μ x, където μ е коефициентът на затихване. Затихването на I се дължи на два процеса: поглъщането на рентгенови фотони от материята и промяната в тяхната посока при разсейване. В областта на дългите вълни на спектъра преобладава абсорбцията на рентгеновите лъчи, в областта на късите вълни - тяхното разсейване. Степента на абсорбция нараства бързо с увеличаване на Z и λ. Например твърдите рентгенови лъчи свободно проникват през слой въздух ~ 10 cm; алуминиева пластина с дебелина 3 cm отслабва наполовина рентгеновите лъчи с λ = 0,027; меките рентгенови лъчи се абсорбират значително във въздуха и тяхното използване и изследване е възможно само във вакуум или в слабо абсорбиращ газ (например He). Когато рентгеновите лъчи се абсорбират, атомите на дадено вещество се йонизират.

Въздействието на рентгеновите лъчи върху живите организми може да бъде полезно или вредно в зависимост от йонизацията, която предизвикват в тъканите. Тъй като абсорбцията на рентгеновите лъчи зависи от λ, тяхната интензивност не може да служи като мярка за биологичния ефект на рентгеновите лъчи. Рентгеновите измервания се използват за измерване на ефекта на рентгеновите лъчи върху материята. , мерната единица е рентген

Разсейването на рентгеновите лъчи в областта на големите Z и λ възниква предимно без промяна на λ и се нарича кохерентно разсейване, а в областта на малки Z и λ, като правило, се увеличава (некохерентно разсейване). Съществуват 2 вида некохерентно рентгеново разсейване - Комптън и Раман. При разсейването на Комптон, което има характер на нееластично корпускулярно разсейване, електрон на отката излита от атомната обвивка поради енергията, частично загубена от рентгеновия фотон. В този случай енергията на фотона намалява и посоката му се променя; промяната на λ зависи от ъгъла на разсейване. По време на рамановото разсейване на високоенергиен рентгенов фотон от лек атом, малка част от неговата енергия се изразходва за йонизация на атома и посоката на движение на фотона се променя. Промяната на такива фотони не зависи от ъгъла на разсейване.

Коефициентът на пречупване n за рентгеновите лъчи се различава от 1 с много малко δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Фазовата скорост на рентгеновите лъчи в среда е по-голяма от скоростта на светлината във вакуум. Отклонението на рентгеновите лъчи при прехода от една среда към друга е много малко (няколко дъгови минути). Когато рентгеновите лъчи падат от вакуум върху повърхността на тялото под много малък ъгъл, възниква пълното им външно отражение.

2.3 Регистриране на рентгенови снимки

Човешкото око не е чувствително към рентгенови лъчи. Рентгенов

лъчите се записват с помощта на специален рентгенов филм, съдържащ повишено количество Ag, Br. В областта λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, чувствителността на обикновения позитивен филм е доста висока и неговите зърна са много по-малки от зърната на рентгеновия филм, което увеличава разделителната способност. При λ от порядъка на десетки и стотици рентгеновите лъчи действат само върху най-тънкия повърхностен слой на фотографската емулсия; за да се увеличи чувствителността на филма, той се сенсибилизира с луминесцентни масла. В рентгеновата диагностика и дефектоскопията понякога се използва електрофотография за запис на рентгенови лъчи. (електрорентгенография).

Рентгеновите лъчи с висок интензитет могат да бъдат записани с помощта на йонизационна камера (Приложение 4), рентгенови лъчи със среден и нисък интензитет при λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком с кристал NaI (Tl) (Приложение 5), при 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Приложение 6) и запоен пропорционален брояч (Приложение 7), на 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Приложение 8). В областта на много големи λ (от десетки до 1000) за запис на рентгенови лъчи могат да се използват отворени вторични електронни умножители с различни фотокатоди на входа.

2.4 Използване на рентгенови лъчи

Рентгеновите лъчи намират най-широко приложение в медицината за рентгенова диагностика. и лъчетерапия . Рентгеновото откриване на дефекти е важно за много клонове на технологиите. , например за откриване на вътрешни дефекти в отливки (черупки, шлакови включвания), пукнатини в релси, дефекти в заварки.

Рентгеноструктурен анализ ви позволява да установите пространственото разположение на атомите в кристалната решетка на минерали и съединения, в неорганични и органични молекули. На базата на множество атомни структури, които вече са дешифрирани, може да се реши и обратната задача: според рентгеновата картина поликристално вещество, например легирана стомана, сплав, руда, лунна почва, може да се установи кристалният състав на това вещество, т.е. беше извършен фазов анализ. Многобройни приложения на R. l. радиографията на материалите се използва за изследване на свойствата на твърдите тела .

Рентгенова микроскопия позволява например да се получи изображение на клетка, микроорганизъм, да се види тяхната вътрешна структура. Рентгенова спектроскопия използвайки рентгенови спектри, той изучава енергийното разпределение на плътността на електронните състояния в различни вещества, изследва природата на химичната връзка и намира ефективния заряд на йони в твърди вещества и молекули. Спектрален рентгенов анализ по позицията и интензивността на линиите на характерния спектър ви позволява да определите качествения и количествения състав на веществото и се използва за експресен безразрушителен контрол на състава на материалите в металургични и циментови заводи, преработвателни предприятия. При автоматизирането на тези предприятия като сензори за състава на веществото се използват рентгенови спектрометри и квантометри.

Рентгеновите лъчи, идващи от космоса, носят информация за химическия състав на космическите тела и за физическите процеси, протичащи в космоса. Рентгеновата астрономия се занимава с изучаването на космическите рентгенови лъчи . Мощните рентгенови лъчи се използват в радиационната химия за стимулиране на определени реакции, полимеризация на материали и крекинг на органични вещества. Рентгеновите лъчи се използват и за откриване на древни рисунки, скрити под слой късна живопис, в хранително-вкусовата промишленост за откриване на чужди предмети, случайно попаднали в хранителни продукти, в криминалистиката, археологията и др.

Глава 3

Една от основните задачи на рентгеновия дифракционен анализ е определянето на реалния или фазовия състав на материала. Методът на рентгеновата дифракция е директен и се характеризира с висока надеждност, бързина и относителна евтиност. Методът не изисква голямо количество вещество, анализът може да се извърши без разрушаване на детайла. Областите на приложение на качествения фазов анализ са много разнообразни както за научни изследвания, така и за контрол в производството. Можете да проверите състава на суровините на металургичното производство, продуктите на синтеза, обработката, резултата от фазовите промени по време на термична и химико-термична обработка, да анализирате различни покрития, тънки слоеве и др.

Всяка фаза, която има своя собствена кристална структура, се характеризира с определен набор от дискретни стойности на междуравнинни разстояния d/n от максимума и по-долу, присъщи само на тази фаза. Както следва от уравнението на Wulf-Bragg, всяка стойност на междуплоскостното разстояние съответства на линия на рентгеновата картина от поликристален образец под определен ъгъл θ (при дадена стойност на дължината на вълната λ). По този начин определена система от линии (дифракционни максимуми) ще съответства на определен набор от междуравнинни разстояния за всяка фаза на рентгеновата дифракционна картина. Относителният интензитет на тези линии в рентгеновата картина зависи преди всичко от структурата на фазата. Следователно, чрез определяне на местоположението на линиите върху рентгеновото изображение (нейния ъгъл θ) и познаване на дължината на вълната на радиацията, на която е направено рентгеновото изображение, е възможно да се определят стойностите на междуравнинните разстояния d/n, използвайки формулата на Wulf-Bragg:

/n = λ/ (2sin θ). (един)

След като определим набора от d/n за изследвания материал и го сравним с предварително известните d/n данни за чисти вещества, техните различни съединения, е възможно да се установи коя фаза представлява този материал. Трябва да се подчертае, че се определят фазите, а не химичният състав, но последният понякога може да бъде изведен, ако има допълнителни данни за елементния състав на дадена фаза. Задачата на качествения фазов анализ се улеснява значително, ако е известен химичният състав на изследвания материал, тъй като тогава е възможно да се направят предварителни предположения за възможните фази в този случай.

Ключът към фазовия анализ е точното измерване на d/n и интензитета на линията. Въпреки че по принцип това е по-лесно да се постигне с помощта на дифрактометър, фотометодът за качествен анализ има някои предимства, главно по отношение на чувствителността (способността да се открие наличието на малко количество фаза в пробата), както и простотата на експерименталната техника.

Изчисляването на d/n от рентгеновата картина се извършва с помощта на уравнението на Wulf-Bragg.

Като стойност на λ в това уравнение обикновено се използва λ α cf K-серия:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Понякога се използва линията K α1. Определянето на ъглите на дифракция θ за всички рентгенови линии ви позволява да изчислите d / n съгласно уравнение (1) и да разделите β-линиите (ако няма филтър за (β-лъчи).

3.1 Анализ на несъвършенствата на кристалната структура

Всички реални монокристални и още повече поликристални материали съдържат определени структурни несъвършенства (точкови дефекти, дислокации, различни видове интерфейси, микро- и макронапрежения), които имат много силен ефект върху всички структурно-чувствителни свойства и процеси.

Структурните несъвършенства причиняват изкривявания на кристалната решетка от различно естество и в резултат на това различни видове промени в дифракционната картина: промяната в междуатомните и междуравнинните разстояния причинява изместване на дифракционните максимуми, микронапреженията и дисперсността на субструктурата водят до разширяване на дифракционни максимуми, микроизкривявания на решетката - до промяна в интензитета на тези максимуми, наличието на дислокации причинява аномални явления по време на преминаването на рентгеновите лъчи и, следователно, локални контрастни нееднородности на рентгеновите топограми и др.

В резултат на това рентгеновият дифракционен анализ е един от най-информативните методи за изследване на структурни несъвършенства, техния вид и концентрация и естеството на тяхното разпространение.

Традиционният директен метод на рентгенова дифракция, който се прилага на стационарни дифрактометри, поради техните конструктивни характеристики, позволява количествено определяне на напреженията и деформациите само върху малки проби, изрязани от части или предмети.

Ето защо в момента има преход от стационарни към преносими малки рентгенови дифрактометри, които осигуряват оценка на напреженията в материала на части или предмети без разрушаване на етапите на тяхното производство и експлоатация.

Преносимите рентгенови дифрактометри от серията DRP * 1 позволяват да се контролират остатъчните и ефективни напрежения в големи части, продукти и конструкции без разрушаване

Програмата в среда на Windows позволява не само да се определят напреженията по метода "sin 2 ψ" в реално време, но и да се следи изменението на фазовия състав и текстурата. Линейният координатен детектор осигурява едновременна регистрация при ъгли на дифракция 2θ = 43°. малогабаритни рентгенови тръби тип "Fox" с висока светимост и ниска мощност (5 W) осигуряват радиологичната безопасност на апарата, при който на разстояние 25 cm от облъчваната зона нивото на радиация е равно на нивото на естествения фон. Устройствата от серията DRP се използват за определяне на напреженията на различни етапи на металоформоване, рязане, шлифоване, термична обработка, заваряване, повърхностно закаляване с цел оптимизиране на тези технологични операции. Контролът върху намаляването на нивото на индуцираните остатъчни напрежения на натиск в особено критични продукти и конструкции по време на тяхната експлоатация позволява извеждането на продукта от експлоатация преди неговото унищожаване, предотвратявайки възможни аварии и катастрофи.

3.2 Анализ на спектъра

Наред с определянето на атомната кристална структура и фазовия състав на материала, за пълното му характеризиране е задължително определянето на химичния му състав.

Все по-често в практиката за тези цели се използват различни така наречени инструментални методи за спектрален анализ. Всеки от тях има своите предимства и приложения.

Едно от важните изисквания в много случаи е използваният метод да гарантира безопасността на анализирания обект; Именно тези методи за анализ са обсъдени в този раздел. Следващият критерий, според който са избрани методите за анализ, описани в този раздел, е тяхното местоположение.

Методът на флуоресцентния рентгенов спектрален анализ се основава на проникването на доста силно рентгеново лъчение (от рентгенова тръба) в анализирания обект, прониквайки в слой с дебелина от порядъка на няколко микрометра. Характерното рентгеново лъчение, възникващо в този случай в обекта, позволява да се получат осреднени данни за неговия химичен състав.

За определяне на елементния състав на дадено вещество може да се използва анализът на характеристичния рентгенов спектър на проба, поставена върху анода на рентгенова тръба и подложена на електронно бомбардиране - емисионният метод или анализът на спектъра на вторично (флуоресцентно) рентгеново лъчение на проба, подложена на облъчване с твърди рентгенови лъчи от рентгенова тръба или друг източник - флуоресцентен метод.

Недостатъкът на емисионния метод е, първо, необходимостта от поставяне на пробата върху анода на рентгеновата тръба, последвано от вакуумиране с вакуумни помпи; очевидно този метод е неподходящ за стопими и летливи вещества. Вторият недостатък е свързан с факта, че дори огнеупорни предмети се повреждат от електронна бомбардировка. Флуоресцентният метод е лишен от тези недостатъци и следователно има много по-широко приложение. Предимството на флуоресцентния метод е и липсата на спирачно лъчение, което подобрява чувствителността на анализа. Сравнението на измерените дължини на вълните с таблици на спектралните линии на химичните елементи е в основата на качествения анализ, а относителните интензитети на спектралните линии на различни елементи, които образуват веществото на пробата, формират основата на количествения анализ. От разглеждането на механизма на възбуждане на характеристичното рентгеново лъчение става ясно, че излъчванията от една или друга серия (K или L, M и т.н.) възникват едновременно и съотношението на интензитетите на линиите в серията винаги е постоянен. Следователно наличието на този или онзи елемент се установява не от отделни линии, а от поредица от линии като цяло (с изключение на най-слабите, като се вземе предвид съдържанието на този елемент). За сравнително леки елементи се използва анализът на линиите от серия K, за тежки елементи - линиите от серия L; при различни условия (в зависимост от използваното оборудване и от анализираните елементи), различни региони на характерния спектър могат да бъдат най-удобни.

Основните характеристики на рентгеновия спектрален анализ са следните.

Простота на рентгеновите характеристични спектри дори за тежки елементи (в сравнение с оптичните спектри), което опростява анализа (малък брой линии; сходство във взаимното им разположение; с увеличаване на поредния номер, редовно изместване на спектъра към появява се област с къса дължина на вълната; сравнителна простота на количествения анализ).

Независимост на дължините на вълните от състоянието на атомите на анализирания елемент (свободни или в химично съединение). Това се дължи на факта, че възникването на характеристично рентгеново лъчение е свързано с възбуждането на вътрешни електронни нива, които в повечето случаи практически не се променят със степента на йонизация на атомите.

Възможността за разделяне при анализа на редкоземни и някои други елементи, които имат малки разлики в спектрите в оптичния диапазон поради сходството на електронната структура на външните обвивки и се различават много малко по своите химични свойства.

Рентгеновата флуоресцентна спектроскопия е "недеструктивна", така че има предимство пред конвенционалната оптична спектроскопия при анализ на тънки проби - тънък метален лист, фолио и др.

Рентгенови флуоресцентни спектрометри, включително многоканални спектрометри или квантометри, осигуряващи експресен количествен анализ на елементи (от Na или Mg до U) с грешка по-малка от 1% от определената стойност, праг на чувствителност от 10 -3 ... 10 -4 %.

рентгенов лъч

Методи за определяне на спектралния състав на рентгеновите лъчи

Спектрометрите се делят на два вида: кристално-дифракционни и безкристални.

Разлагането на рентгеновите лъчи в спектър с помощта на естествена дифракционна решетка - кристал - по същество е подобно на получаването на спектър от обикновени светлинни лъчи с помощта на изкуствена дифракционна решетка под формата на периодични щрихи върху стъкло. Условието за образуване на дифракционен максимум може да се запише като условието за "отражение" от система от успоредни атомни равнини, разделени на разстояние d hkl.

При извършване на качествен анализ може да се прецени наличието на елемент в пробата по една линия - обикновено най-интензивната линия от спектралната серия, подходяща за даден кристал на анализатора. Разделителната способност на кристалните дифракционни спектрометри е достатъчна за разделяне на характерни линии дори на елементи, съседни по позиция в периодичната таблица. Необходимо е обаче да се вземе предвид и налагането на различни линии от различни елементи, както и налагането на отражения от различни поръчки. Това обстоятелство трябва да се вземе предвид при избора на аналитични линии. В същото време е необходимо да се използват възможностите за подобряване на разделителната способност на инструмента.

Заключение

По този начин рентгеновите лъчи са невидимо електромагнитно лъчение с дължина на вълната 10 5 - 10 2 nm. Рентгеновите лъчи могат да проникнат през някои материали, които са непрозрачни за видимата светлина. Те се излъчват при забавяне на бързите електрони в материята (непрекъснат спектър) и при преминаване на електрони от външните електронни обвивки на атома към вътрешните (линеен спектър). Източници на рентгеново лъчение са: рентгенова тръба, някои радиоактивни изотопи, ускорители и акумулатори на електрони (синхротронно лъчение). Приемници - филмови, луминисцентни екрани, детектори за ядрени лъчения. Рентгеновите лъчи се използват в рентгенов дифракционен анализ, медицина, дефектоскопия, рентгенов спектрален анализ и др.

След като разгледахме положителните страни на откритието на V. Roentgen, трябва да отбележим вредното му биологично въздействие. Оказа се, че рентгеновите лъчи могат да причинят нещо като тежко слънчево изгаряне (еритема), съпроводено обаче с по-дълбоко и трайно увреждане на кожата. Появяващите се язви често се превръщат в рак. В много случаи пръстите или ръцете трябваше да бъдат ампутирани. Имаше и смъртни случаи.

Установено е, че увреждането на кожата може да бъде избегнато чрез намаляване на времето и дозата на експозиция, използване на екранировка (напр. олово) и дистанционни управления. Но постепенно бяха разкрити други, по-дългосрочни ефекти от излагането на рентгенови лъчи, които след това бяха потвърдени и изследвани върху експериментални животни. Ефектите, дължащи се на рентгенови лъчи и други йонизиращи лъчения (като гама лъчи, излъчвани от радиоактивни материали), включват:

) временни промени в състава на кръвта след сравнително малка свръхекспозиция;

) необратими промени в състава на кръвта (хемолитична анемия) след продължителна прекомерна експозиция;

) увеличаване на случаите на рак (включително левкемия);

) по-бързо стареене и ранна смърт;

) появата на катаракта.

Биологичното въздействие на рентгеновите лъчи върху човешкото тяло се определя от нивото на радиационната доза, както и от това кой конкретен орган на тялото е бил изложен на радиация.

Натрупването на знания за ефектите на рентгеновото лъчение върху човешкото тяло доведе до разработването на национални и международни стандарти за допустими дози на облъчване, публикувани в различни справочни издания.

За да се избегнат вредните ефекти на рентгеновите лъчи, се използват методи за контрол:

) наличие на подходящо оборудване,

) наблюдение на спазването на правилата за безопасност,

) правилно използване на оборудването.

Списък на използваните източници

1) Блохин М.А., Физика на рентгеновите лъчи, 2 изд., М., 1957 г.;

) Blokhin M.A., Методи за рентгеново спектрално изследване, М., 1959;

) рентгенови лъчи. сб. изд. М.А. Блохин, прев. с него. и английски, М., 1960;

) Kharaja F., Общ курс по рентгеново инженерство, 3-то издание, M. - L., 1966;

) Миркин Л.И., Наръчник по рентгенов дифракционен анализ на поликристали, М., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Референтни таблици за рентгенова спектроскопия, М., 1953 г.

) Рентгенов и електронно-оптичен анализ. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н.: Proc. Надбавка за университети. - 4-то изд. Добавете. И преработвач. - М.: "MISiS", 2002. - 360 с.

Приложения

Приложение 1

Общ изглед на рентгенови тръби

Приложение 2

Схема на рентгенова тръба за структурен анализ

Схема на рентгенова тръба за структурен анализ: 1 - метално анодно стъкло (обикновено заземено); 2 - прозорци от берилий за извеждане на рентгенови лъчи; 3 - термичен катод; 4 - стъклена колба, изолираща анодната част на тръбата от катода; 5 - катодни клеми, към които се прилага напрежението на нишката, както и високо (спрямо анода) напрежение; 6 - електростатична система за фокусиране на електрони; 7 - анод (антикатод); 8 - разклонителни тръби за вход и изход на течаща вода, охлаждаща анодното стъкло.

Приложение 3

Диаграма на Мозли

Диаграма на Moseley за K-, L- и M-серии на характеристични рентгенови лъчи. Абсцисата показва поредния номер на елемента Z, ординатата - ( се скоростта на светлината).

Приложение 4

Йонизационна камера.

Фиг. 1. Разрез на цилиндрична йонизационна камера: 1 - цилиндрично тяло на камерата, което служи като отрицателен електрод; 2 - цилиндричен прът, служещ като положителен електрод; 3 - изолатори.

Ориз. 2. Схема на включване на текущата йонизационна камера: V - напрежение върху електродите на камерата; G е галванометър, който измерва йонизационния ток.

Ориз. 3.Вамперна характеристика на йонизационната камера.

Ориз. 4. Схема на включване на импулсната йонизационна камера: С - капацитет на събирателния електрод; R е съпротивление.

Приложение 5

Сцинтилационен брояч.

Схема на сцинтилационен брояч: светлинните кванти (фотони) "избиват" електрони от фотокатода; движейки се от динод на динод, електронната лавина се умножава.

Приложение 6

Брояч на Гайгер-Мюлер.

Ориз. 1. Схема на стъклен брояч на Geiger-Muller: 1 - херметично затворена стъклена тръба; 2 - катод (тънък слой мед върху тръба от неръждаема стомана); 3 - изход на катода; 4 - анод (тънка опъната нишка).

Ориз. 2. Схема на включване на брояча на Гайгер-Мюлер.

Ориз. 3. Преброителната характеристика на брояча на Гайгер-Мюлер.

Приложение 7

пропорционален брояч.

Схема на пропорционален брояч: а - област на дрейф на електрони; b - зона на усилване на газа.

Приложение 8

Полупроводникови детектори

Полупроводникови детектори; чувствителната зона се подчертава чрез люпене; n - област на полупроводник с електронна проводимост, p - с дупка, i - със собствена проводимост; а - силициев повърхностно-бариерен детектор; б - дрейфов германий-литиев планарен детектор; c - германий-литиев коаксиален детектор.

ЛЕКЦИЯ

РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ

Естеството на рентгеновите лъчи

Спирачно рентгеново лъчение, неговите спектрални свойства.

Характеристично рентгеново лъчение (за преглед).

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото.

Физически основи за използването на рентгеновите лъчи в медицината.

Рентгеновите лъчи (X - лъчи) са открити от К. Рентген, който през 1895 г. става първият Нобелов лауреат по физика.

Естеството на рентгеновите лъчи

рентгеново лъчение - електромагнитни вълни с дължина от 80 до 10 -5 nm. Дълговълновите рентгенови лъчи се покриват от късовълновата UV радиация, а късовълновите рентгенови лъчи се покриват от дълговълновата  радиация.

Рентгеновите лъчи се произвеждат в рентгенови тръби. Фиг. 1.

К - катод

1 - електронен лъч

2 - рентгеново лъчение

Ориз. 1. Устройство за рентгенова тръба.

Тръбата е стъклена колба (с възможно висок вакуум: налягането в нея е около 10–6 mm Hg) с два електрода: анод А и катод К, към които се прилага високо напрежение U (няколко хиляди волта). . Катодът е източник на електрони (поради явлението термоелектронна емисия). Анодът е метален прът, който има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Изработен е от високо топлопроводим материал за отстраняване на топлината, генерирана по време на електронно бомбардиране. На скосения край има плоча, изработена от огнеупорен метал (например волфрам).

Силното нагряване на анода се дължи на факта, че основният брой електрони в катодния лъч, удряйки анода, изпитват многобройни сблъсъци с атомите на веществото и им предават голямо количество енергия.

Под действието на високо напрежение електроните, излъчени от нишката на горещия катод, се ускоряват до високи енергии. Кинетичната енергия на един електрон е равна на mv 2 /2. Тя е равна на енергията, която придобива при движение в електростатичното поле на тръбата:

mv 2 /2 = eU(1)

където m, e са масата и заряда на електрона, U е ускоряващото напрежение.

Процесите, водещи до появата на спирачно рентгеново лъчение, се дължат на интензивното забавяне на електроните в материала на анода от електростатичното поле на атомното ядро ​​и атомните електрони.

Механизмът на възникване може да бъде представен по следния начин. Движещите се електрони са някакъв вид ток, който образува собствено магнитно поле. Електронното забавяне е намаляване на силата на тока и съответно промяна в индукцията на магнитното поле, което ще доведе до появата на променливо електрическо поле, т.е. появата на електромагнитна вълна.

Така, когато заредена частица лети в материята, тя се забавя, губи своята енергия и скорост и излъчва електромагнитни вълни.

Спектрални свойства на рентгеновите спирачни лъчи .

Така че, в случай на забавяне на електроните в материала на анода, спирачно лъчение.

Спектърът на спирачното лъчение е непрекъснат. Причината за това е следната.

Когато електроните се забавят, всеки от тях има част от енергията, използвана за нагряване на анода (E 1 \u003d Q), другата част за създаване на рентгенов фотон (E 2 \u003d hv), в противен случай eU \u003d hv + В. Съотношението между тези части е произволно.

По този начин непрекъснатият спектър на спирачното рентгеново лъчение се формира поради забавянето на много електрони, всеки от които излъчва един рентгенов квант hv (h) със строго определена стойност. Стойността на този квант различни за различните електрони.Зависимостта на рентгеновия енергиен поток от дължината на вълната , т.е. рентгеновият спектър е показан на фиг.2.

Фиг.2. Спектър на спирачно излъчване: а) при различни напрежения U в тръбата; б) при различни температури Т на катода.

Късовълновата (твърда) радиация има по-голяма проникваща способност от дълговълновата (мека) радиация. Меката радиация се абсорбира по-силно от материята.

От страна на късите дължини на вълните, спектърът свършва рязко при определена дължина на вълната  m i n . Такова спирачно излъчване с къса дължина на вълната възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергия на фотон (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min ,  min = hc/(eU), (2)

 min (nm) = 1,23/UkV

Спектралния състав на лъчението зависи от напрежението на рентгеновата тръба, с увеличаване на напрежението стойността на  m i n се измества към късите дължини на вълната (фиг. 2а).

Когато температурата T на нажежаемия катод се промени, електронната емисия се увеличава. Следователно токът I в тръбата се увеличава, но спектралният състав на лъчението не се променя (фиг. 2b).

Енергийният поток Ф  на спирачното лъчение е право пропорционален на квадрата на напрежението U между анода и катода, силата на тока I в тръбата и атомния номер Z на анодното вещество:

Ф = kZU 2 I. (3)

където k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Характерни рентгенови лъчи (за запознаване).

Увеличаването на напрежението на рентгеновата тръба води до факта, че на фона на непрекъснат спектър се появява линия, която съответства на характерното рентгеново лъчение. Това излъчване е специфично за материала на анода.

Механизмът на възникването му е следният. При високо напрежение ускорените електрони (с висока енергия) проникват дълбоко в атома и избиват електрони от вътрешните му слоеве. Електроните от горните нива преминават към свободни места, в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване.

Спектрите на характеристичното рентгеново лъчение се различават от оптичните спектри.

- Еднообразие.

Еднаквостта на характерните спектри се дължи на факта, че вътрешните електронни слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно поради силовото действие от ядрата, което се увеличава с увеличаване на елементния брой. Следователно, характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрения заряд. Това беше експериментално потвърдено от служител на Roentgen - Моузли, който измерва честотите на рентгенов преход за 33 елемента. Те направиха закона.

ЗАКОН НА МОЗЕЛ – квадратният корен от честотата на характеристичното излъчване е линейна функция на поредния номер на елемента:

= A  (Z - B), (4)

където v е честотата на спектралната линия, Z е атомният номер на излъчващия елемент. A, B са константи.

Значението на закона на Моузли се състои в това, че тази зависимост може да се използва за точно определяне на атомния номер на изследвания елемент от измерената честота на рентгеновата линия. Това изигра голяма роля в разположението на елементите в периодичната таблица.

Независимост от химическо съединение.

Характерните рентгенови спектри на атома не зависят от химичното съединение, в което влиза атомът на елемента. Например, рентгеновият спектър на кислороден атом е еднакъв за O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения се различават. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома е в основата на името " характеристично излъчване".

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото

Въздействието на рентгеновото лъчение върху обектите се определя от първичните процеси на взаимодействие на рентгеновите лъчи. фотон с електрониатоми и молекули на материята.

Рентгеново лъчение в материята усвоениили разсейва се. В този случай могат да протичат различни процеси, които се определят от съотношението на енергията на рентгеновия фотон hv и йонизационната енергия Аu (йонизационната енергия Аu е енергията, необходима за отстраняване на вътрешните електрони от атома или молекулата).

а) Кохерентно разсейване(разсейване на дълговълнова радиация) възниква, когато отношението

За фотоните, поради взаимодействие с електрони, се променя само посоката на движение (фиг. 3а), но енергията hv и дължината на вълната не се променят (следователно това разсейване се нарича съгласуван). Тъй като енергиите на фотон и атом не се променят, кохерентното разсейване не засяга биологичните обекти, но когато се създава защита срещу рентгеново лъчение, трябва да се вземе предвид възможността за промяна на първичната посока на лъча.

б) фотоелектричен ефектсе случва, когато

В този случай могат да се реализират два случая.

Фотонът се абсорбира, електронът се отделя от атома (фиг. 3b). Настъпва йонизация. Отделеният електрон придобива кинетична енергия: E k \u003d hv - A и. Ако кинетичната енергия е голяма, тогава електронът може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови. вториелектрони.

Фотонът се абсорбира, но енергията му не е достатъчна, за да отдели електрона и възбуждане на атом или молекула(фиг. 3c). Това често води до последващо излъчване на фотон във видимата радиационна област (рентгенова луминесценция), а в тъканите до активиране на молекули и фотохимични реакции. Фотоелектричният ефект възниква главно върху електроните на вътрешните обвивки на атомите с високо Z.

в) Некохерентно разсейване(Compton effect, 1922) възниква, когато енергията на фотона е много по-голяма от енергията на йонизация

В този случай електронът се отделя от атома (такива електрони се наричат електрони на отката), придобива известна кинетична енергия E k, енергията на самия фотон намалява (фиг. 4d):

hv=hv" + A и + E k. (5)

Полученото излъчване с променена честота (дължина) се нарича втори, разпръсква се във всички посоки.

Електроните на отката, ако имат достатъчна кинетична енергия, могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък. Така в резултат на некохерентно разсейване се образува вторично разсеяно рентгеново лъчение и се йонизират атомите на веществото.

Тези (a, b, c) процеси могат да предизвикат редица последващи такива. Например (фиг. 3d), ако по време на фотоелектричния ефект електроните се отделят от атома върху вътрешните черупки, тогава на тяхно място могат да преминат електрони от по-високи нива, което е придружено от вторично характерно рентгеново излъчване на това вещество. Фотоните на вторичното излъчване, взаимодействащи с електроните на съседните атоми, могат от своя страна да причинят вторични явления.

кохерентно разсейване

ъъъ енергията и дължината на вълната остават непроменени

фотоелектричен ефект

фотон се абсорбира, e - откъсва се от атома - йонизация

hv \u003d A и + E до

атом А се възбужда при абсорбция на фотон, R е рентгенова луминесценция

некохерентно разсейване

hv \u003d hv "+ A и + E до

вторични процеси във фотоелектричния ефект

Ориз. 3 Механизми на взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята

Физически основи за използването на рентгеновите лъчи в медицината

Когато рентгеновите лъчи попаднат върху тялото, те се отразяват леко от повърхността му, но основно преминават дълбоко, докато частично се абсорбират и разпръскват и частично преминават.

Законът за отслабването.

Рентгеновият поток се отслабва в материята съгласно закона:

F \u003d F 0 e -   x (6)

където  е линеен фактор на затихване,което по същество зависи от плътността на веществото. То е равно на сумата от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване  1, некохерентно  2 и фотоелектричен ефект  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Приносът на всеки член се определя от енергията на фотона. По-долу са съотношенията на тези процеси за меките тъкани (вода).

наслади се коефициент на затихване на масата,което не зависи от плътността на веществото :

m = /. (осем)

Масовият коефициент на затихване зависи от енергията на фотона и от атомния номер на абсорбиращото вещество:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Масовите коефициенти на затихване на костите и меките тъкани (вода) са различни:  m кост /  m вода = 68.

Ако на пътя на рентгеновите лъчи се постави нехомогенно тяло и пред него се постави флуоресцентен екран, то това тяло, поглъщайки и отслабвайки лъчението, образува сянка върху екрана. По характера на тази сянка може да се съди за формата, плътността, структурата и в много случаи естеството на телата. Тези. значителна разлика в абсорбцията на рентгеново лъчение от различни тъкани ви позволява да видите изображението на вътрешните органи в проекцията на сянка.

Ако изследваният орган и околните тъкани еднакво отслабват рентгеновите лъчи, тогава се използват контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашава маса от бариев сулфат (BaSO 4 ), можете да видите тяхното изображение в сянка (съотношението на коефициентите на затихване е 354).

Използване в медицината.

В медицината се използва рентгеново лъчение с фотонна енергия от 60 до 100-120 keV за диагностика и 150-200 keV за лечение.

рентгенова диагностика – Разпознаване на заболявания чрез трансилюминация на тялото с рентгенови лъчи.

Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти, които са дадени по-долу.

С флуороскопиярентгеновата тръба е разположена зад пациента. Пред него има флуоресцентен екран. На екрана има сянка (позитивно) изображение. Във всеки отделен случай се подбира подходящата твърдост на лъчението, така че да преминава през меките тъкани, но да се абсорбира достатъчно от плътните. В противен случай се получава равномерна сянка. На екрана сърцето, ребрата се виждат тъмни, белите дробове са светли.

При радиографияобектът се поставя върху касета, която съдържа филм със специална фотографска емулсия. Рентгеновата тръба се поставя върху обекта. Получената рентгенография дава негативен образ, т.е. обратното за разлика от картината, наблюдавана по време на трансилюминация. При този метод има по-голяма яснота на изображението, отколкото при (1), следователно се наблюдават детайли, които са трудни за виждане при трансилюминация.

Обещаващ вариант на този метод е рентгеновото изследване томографияи "машинен вариант" - компютър томография.

3. С флуороскопия,На чувствителен филм с малък формат изображението от големия екран е фиксирано. При преглед снимките се разглеждат на специална лупа.

Рентгенова терапия- използването на рентгенови лъчи за унищожаване на злокачествени тумори.

Биологичният ефект на радиацията е да наруши жизнената дейност, особено бързо размножаващите се клетки.

КОМПЮТЪРНА ТОМОГРАФИЯ (CT)

Методът на рентгеновата компютърна томография се основава на реконструкцията на изображение на определен участък от тялото на пациента чрез регистриране на голям брой рентгенови проекции на този участък, направени под различни ъгли. Информацията от сензорите, които регистрират тези проекции, постъпва в компютъра, който по специална програма изчисляваразпространение плътноразмер на извадкатав изследваната секция и я показва на екрана на дисплея. Полученото по този начин изображение на участъка от тялото на пациента се характеризира с отлична яснота и висока информативност. Програмата ви позволява да нараства контраст на изображениетов десетки и дори стотици пъти. Това разширява диагностичните възможности на метода.

Видеооператори (уреди с цифрова обработка на рентгенови изображения) в съвременната стоматология.

В денталната медицина рентгеновото изследване е основен диагностичен метод. Редица традиционни организационни и технически характеристики на рентгеновата диагностика обаче я правят неудобна както за пациента, така и за денталните клиники. Това е, на първо място, необходимостта пациентът да влезе в контакт с йонизиращо лъчение, което често създава значително радиационно натоварване на тялото, също така е необходимостта от фотопроцес и, следователно, необходимостта от фотореагенти, в т.ч. токсични такива. Това най-накрая е обемист архив, тежки папки и пликове с рентгенови филми.

В допълнение, сегашното ниво на развитие на стоматологията прави субективната оценка на рентгеновите снимки от човешкото око недостатъчна. Както се оказа, от разнообразието от нюанси на сивото, съдържащо се в рентгеновото изображение, окото възприема само 64.

Очевидно, за да се получи ясен и детайлен образ на твърдите тъкани на зъбно-алвеоларната система с минимално излагане на радиация, са необходими други решения. Търсенето доведе до създаването на така наречените радиографски системи, видеооператорите - цифрови радиографски системи.

Без технически подробности, принципът на работа на такива системи е следният. Рентгеновото лъчение влиза през обекта не върху фоточувствителен филм, а върху специален интраорален сензор (специална електронна матрица). Съответният сигнал от матрицата се предава на цифровизиращо устройство (аналогово-цифров преобразувател, ADC), което го преобразува в цифрова форма и се свързва към компютъра. Специален софтуер изгражда рентгеново изображение на екрана на компютъра и ви позволява да го обработите, да го запишете на твърд или гъвкав носител за съхранение (твърд диск, флопи дискове), да го отпечатате като картина като файл.

В цифрова система рентгеновото изображение е съвкупност от точки с различни цифрови стойности на сивото. Оптимизацията на дисплея на информацията, предоставена от програмата, позволява да се получи оптимален кадър по отношение на яркост и контраст при относително ниска доза радиация.

В съвременните системи, създадени например от Trophy (Франция) или Schick (САЩ), се използват 4096 нюанса на сивото при формиране на рамка, времето на експозиция зависи от обекта на изследване и средно е стотни - десети от второ, намаляване на радиационната експозиция по отношение на филма - до 90% за интраоралните системи, до 70% за панорамните видеооператори.

При обработката на изображения видеооператорите позволяват:

Вземете положителни и отрицателни изображения, фалшиви цветни изображения, релефни изображения.

Увеличете контраста и увеличете зоната на интерес в изображението.

Оценявайте промените в плътността на зъбните тъкани и костните структури, контролирайте равномерността на запълването на канала.

В ендодонтията определете дължината на канала на всяка кривина, а в хирургията изберете размера на импланта с точност до 0,1 mm.

Уникалната система за откриване на кариес с елементи на изкуствен интелект по време на анализ на изображението ви позволява да откриете кариес в стадия на петна, кариес на корена и скрит кариес.

"F" във формула (3) се отнася до целия диапазон от излъчени дължини на вълната и често се нарича "интегрален енергиен поток".

Откритието и заслугите в изследването на основните свойства на рентгеновите лъчи по право принадлежат на немския учен Вилхелм Конрад Рентген. Удивителните свойства на рентгеновите лъчи, открити от него, веднага получиха огромен отзвук в научния свят. Въпреки че тогава, през 1895 г., ученият едва ли можеше да си представи каква полза, а понякога и вреда, могат да донесат рентгеновите лъчи.

Нека разберем в тази статия как този вид радиация влияе върху човешкото здраве.

Какво е рентгеново лъчение

Първият въпрос, който интересува изследователя, е какво е рентгеново лъчение? Редица експерименти позволиха да се провери, че това е електромагнитно лъчение с дължина на вълната 10 -8 cm, което заема междинно положение между ултравиолетовото и гама лъчение.

Приложение на рентгенови лъчи

Всички тези аспекти на разрушителното действие на мистериозните рентгенови лъчи изобщо не изключват изненадващо широките аспекти на тяхното приложение. Къде се използват рентгенови лъчи?

1. Изследване на структурата на молекулите и кристалите.
2. Рентгеново откриване на дефекти (в промишлеността, откриване на дефекти в продукти).
3. Методи за медицински изследвания и терапия.

Най-важните приложения на рентгеновите лъчи станаха възможни благодарение на много късите дължини на вълните в целия диапазон от тези вълни и техните уникални свойства.

Тъй като се интересуваме от въздействието на рентгеновото лъчение върху хора, които се сблъскват с него само по време на медицински преглед или лечение, тогава ще разгледаме само тази област на приложение на рентгеновите лъчи.

Използването на рентгенови лъчи в медицината

Въпреки особеното значение на своето откритие, Рьонтген не е издал патент за използването му, което го прави безценен дар за цялото човечество. Още през Първата световна война започват да се използват рентгенови апарати, които позволяват бързо и точно диагностициране на ранените. Сега можем да разграничим две основни области на приложение на рентгеновите лъчи в медицината:

• рентгенова диагностика;
• рентгенова терапия.

рентгенова диагностика

Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти:

Нека да разгледаме разликата между тези методи.

Всички тези диагностични методи се основават на способността на рентгеновите лъчи да осветяват филм и на тяхната различна пропускливост към тъканите и костния скелет.

Рентгенова терапия

Способността на рентгеновите лъчи да имат биологичен ефект върху тъканите се използва в медицината за лечение на тумори. Йонизиращият ефект на това лъчение се проявява най-активно при въздействие върху бързо делящи се клетки, които са клетките на злокачествените тумори.

Трябва обаче да сте наясно и със страничните ефекти, които неизбежно съпътстват лъчетерапията. Факт е, че клетките на хематопоетичната, ендокринната и имунната система също се делят бързо. Отрицателното въздействие върху тях поражда признаци на лъчева болест.

Ефектът на рентгеновото лъчение върху хората

Малко след забележителното откритие на рентгеновите лъчи беше установено, че рентгеновите лъчи имат ефект върху хората.

Тези данни са получени при експерименти върху експериментални животни, но генетиците предполагат, че подобни ефекти могат да се прилагат и за човешкото тяло.

Проучването на ефектите от излагането на рентгенови лъчи доведе до разработването на международни стандарти за приемливи дози радиация.

Дози рентгеново лъчение в рентгеновата диагностика

След като посетят рентгеновия кабинет, много пациенти се притесняват - как получената доза радиация ще се отрази на здравето им?

Дозата на общото облъчване на тялото зависи от характера на процедурата. За удобство ще сравним получената доза с естественото облъчване, което съпътства човек през целия му живот.

1. Рентгенография: гръден кош - получената доза радиация е еквивалентна на 10 дни фоново облъчване; горната част на стомаха и тънките черва - 3 години.
2. Компютърна томография на коремна кухина и таз, както и на цяло тяло - 3 години.
3. Мамография - 3 месеца.
4. Рентгенографията на крайниците е практически безвредна.
5. По отношение на денталните рентгенови лъчи дозата на облъчване е минимална, тъй като пациентът е изложен на тесен сноп рентгенови лъчи с кратка продължителност на облъчване.

Тези дози облъчване отговарят на допустимите стандарти, но ако пациентът се чувства тревожен преди рентгеновото изследване, той има право да поиска специална защитна престилка.

Излагане на рентгенови лъчи на бременни жени

Всеки човек трябва многократно да се подлага на рентгеново изследване. Но има правило - този диагностичен метод не може да се предписва на бременни жени. Развиващият се ембрион е изключително уязвим. Рентгеновите лъчи могат да причинят хромозомни аномалии и в резултат на това раждането на деца с малформации. Най-уязвима в това отношение е гестационната възраст до 16 седмици. Освен това най-опасно за бъдещото бебе е рентгеновото изследване на гръбначния стълб, тазовата и коремната област.

Знаейки за пагубния ефект на рентгеновите лъчи върху бременността, лекарите избягват да го използват по всякакъв възможен начин в този важен период от живота на жената.

Има обаче странични източници на рентгенови лъчи:

• електронни микроскопи;
• цветни телевизионни кинескопи и др.

Бъдещите майки трябва да са наясно с опасността, която представляват те.

За кърмещите майки радиодиагностиката не е опасна.

Какво да правите след рентгенова снимка

За да избегнете дори минималните ефекти от излагането на рентгенови лъчи, можете да предприемете няколко прости стъпки:

• след рентгенова снимка изпийте чаша мляко - премахва малки дози радиация;
• много удобно приемане на чаша сухо вино или гроздов сок;
• известно време след процедурата е полезно да се увеличи делът на храни с високо съдържание на йод (морски дарове).

Но не са необходими медицински процедури или специални мерки за премахване на радиацията след рентгенова снимка!

Въпреки несъмнено сериозните последици от излагането на рентгенови лъчи, не трябва да се надценява тяхната опасност по време на медицински прегледи - те се извършват само в определени области на тялото и много бързо. Ползите от тях многократно надвишават риска от тази процедура за човешкото тяло.

Рентгеновото лъчение (синоним на рентгенови лъчи) е с широк диапазон от дължини на вълните (от 8·10 -6 до 10 -12 cm). Рентгеновото лъчение възниква, когато заредени частици, най-често електрони, се забавят в електрическото поле на атомите на веществото. Получените кванти имат различни енергии и образуват непрекъснат спектър. Максималната фотонна енергия в такъв спектър е равна на енергията на падащите електрони. В (виж) максималната енергия на рентгеновите кванти, изразена в килоелектрон-волта, е числено равна на големината на напрежението, приложено към тръбата, изразено в киловолта. Когато преминават през вещество, рентгеновите лъчи взаимодействат с електроните на неговите атоми. За рентгеновите кванти с енергия до 100 keV най-характерният вид взаимодействие е фотоелектричният ефект. В резултат на такова взаимодействие квантовата енергия се изразходва напълно за изтегляне на електрон от атомната обвивка и придаване на кинетична енергия към него. С увеличаване на енергията на рентгеновия квант вероятността от фотоелектричния ефект намалява и процесът на разсейване на кванти върху свободни електрони, така нареченият ефект на Комптън, става преобладаващ. В резултат на такова взаимодействие също се образува вторичен електрон и освен това излита квант с енергия, по-малка от енергията на първичния квант. Ако енергията на рентгеновия квант надвишава един мегаелектрон-волт, може да възникне така нареченият ефект на сдвояване, при който се образуват електрон и позитрон (виж). Следователно, когато преминава през вещество, се получава намаляване на енергията на рентгеновото лъчение, т.е. намаляване на неговия интензитет. Тъй като в този случай е по-вероятно да се абсорбират нискоенергийни кванти, рентгеновото лъчение се обогатява с по-високоенергийни кванти. Това свойство на рентгеновото лъчение се използва за увеличаване на средната енергия на квантите, т.е. за увеличаване на неговата твърдост. Увеличаването на твърдостта на рентгеновото лъчение се постига с помощта на специални филтри (виж). Рентгеновото лъчение се използва за рентгенова диагностика (виж) и (виж). Вижте също Йонизиращо лъчение.

Рентгеново лъчение (синоним: рентгенови лъчи, рентгенови лъчи) - квантово електромагнитно лъчение с дължина на вълната от 250 до 0,025 A (или енергийни кванти от 5 10 -2 до 5 10 2 keV). През 1895 г. е открит от В. К. Рентген. Спектралната област на електромагнитното излъчване в близост до рентгеновите лъчи, чиито енергийни кванти надвишават 500 keV, се нарича гама лъчение (виж); радиация, чиито енергийни кванти са под 0,05 keV, е ултравиолетова радиация (виж).

По този начин, представлявайки сравнително малка част от огромния спектър на електромагнитно излъчване, което включва както радиовълни, така и видима светлина, рентгеновото лъчение, като всяко електромагнитно лъчение, се разпространява със скоростта на светлината (около 300 хиляди km / s във вакуум ) и се характеризира с дължина на вълната λ (разстоянието, на което се разпространява радиацията за един период на трептене). Рентгеновото лъчение има и редица други вълнови свойства (рефракция, интерференция, дифракция), но е много по-трудно да се наблюдават, отколкото при лъчения с по-голяма дължина на вълната: видима светлина, радиовълни.

Рентгенови спектри: a1 - непрекъснат спирачен спектър при 310 kV; a - непрекъснат спирачен спектър при 250 kV, a1 - спектър, филтриран с 1 mm Cu, a2 - спектър, филтриран с 2 mm Cu, b - K-серия на волфрамова линия.

За генериране на рентгенови лъчи се използват рентгенови тръби (виж), в които се получава излъчване, когато бързите електрони взаимодействат с атомите на анодното вещество. Има два вида рентгенови лъчи: спирачно и характеристично. Рентгеновото лъчение на Bremsstrahlung, което има непрекъснат спектър, е подобно на обикновената бяла светлина. Разпределението на интензитета в зависимост от дължината на вълната (фиг.) е представено чрез крива с максимум; в посока на дългите вълни кривата спада леко, а в посока на късите вълни тя е стръмна и се прекъсва при определена дължина на вълната (λ0), наречена късовълнова граница на непрекъснатия спектър. Стойността на λ0 е обратно пропорционална на напрежението на тръбата. Bremsstrahlung възниква от взаимодействието на бързи електрони с атомни ядра. Интензитетът на спирачното лъчение е право пропорционален на силата на анодния ток, квадрата на напрежението на тръбата и атомния номер (Z) на анодния материал.

Ако енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, надвиши критичната стойност за анодното вещество (тази енергия се определя от напрежението на тръбата Vcr, което е критично за това вещество), тогава възниква характерно излъчване. Характерният спектър е линия, неговите спектрални линии образуват серия, означена с буквите K, L, M, N.

Серията K е с най-къса дължина на вълната, серията L е с по-голяма дължина на вълната, сериите M и N се наблюдават само в тежки елементи (Vcr на волфрам за K-серия е 69,3 kv, за L-серия - 12,1 kv). Характеристичното излъчване възниква, както следва. Бързите електрони избиват атомните електрони от вътрешните обвивки. Атомът се възбужда и след това се връща в основно състояние. В този случай електроните от външните, по-слабо свързани обвивки запълват освободените пространства във вътрешните обвивки и се излъчват фотони с характерно излъчване с енергия, равна на разликата между енергиите на атома във възбудено и основно състояние. Тази разлика (а оттам и енергията на фотона) има определена стойност, характерна за всеки елемент. Това явление е в основата на рентгеноспектралния анализ на елементите. Фигурата показва линейния спектър на волфрам на фона на непрекъснат спектър на спирачно лъчение.

Енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, се превръща почти изцяло в топлинна енергия (анодът е силно нагрят в този случай), само незначителна част (около 1% при напрежение, близко до 100 kV) се превръща в енергия на спирачното лъчение. .

Използването на рентгеновите лъчи в медицината се основава на законите за поглъщане на рентгеновите лъчи от материята. Абсорбцията на рентгеновите лъчи е напълно независима от оптичните свойства на абсорбиращия материал. Безцветното и прозрачно оловно стъкло, използвано за защита на персонала в рентгенови кабинети, абсорбира почти напълно рентгеновите лъчи. Обратно, лист хартия, който не е прозрачен за светлина, не отслабва рентгеновите лъчи.

Интензитетът на хомогенен (т.е. с определена дължина на вълната) рентгенов лъч, когато преминава през абсорбиращ слой, намалява според експоненциалния закон (e-x), където e е основата на естествените логаритми (2,718), а показателят x е равно на произведението на масовия коефициент на затихване (μ / p) cm 2 /g за дебелина на абсорбера в g / cm 2 (тук p е плътността на веществото в g / cm 3). Рентгеновите лъчи се отслабват както чрез разсейване, така и чрез абсорбция. Съответно коефициентът на масово затихване е сумата от коефициентите на масово поглъщане и разсейване. Масовият коефициент на поглъщане нараства рязко с увеличаване на атомния номер (Z) на абсорбера (пропорционално на Z3 или Z5) и с увеличаване на дължината на вълната (пропорционално на λ3). Тази зависимост от дължината на вълната се наблюдава в ивиците на поглъщане, на границите на които коефициентът показва скокове.

Коефициентът на масово разсейване се увеличава с увеличаване на атомния номер на веществото. За λ≥0,3Å коефициентът на разсейване не зависи от дължината на вълната, за λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Намаляването на коефициентите на абсорбция и разсейване с намаляване на дължината на вълната води до увеличаване на проникващата способност на рентгеновите лъчи. Коефициентът на масова абсорбция за костите [абсорбцията се дължи главно на Ca 3 (PO 4) 2 ] е почти 70 пъти по-голям, отколкото за меките тъкани, където абсорбцията се дължи главно на вода. Това обяснява защо сянката на костите се откроява толкова рязко на рентгеновите снимки на фона на меките тъкани.

Разпространението на нехомогенен рентгенов лъч през всяка среда, заедно с намаляване на интензитета, е придружено от промяна в спектралния състав, промяна в качеството на излъчването: дълговълновата част от спектъра се абсорбира до в по-голяма степен от късовълновата част, излъчването става по-равномерно. Филтрирането на дълговълновата част от спектъра позволява да се подобри съотношението между дълбоките и повърхностните дози по време на рентгеновата терапия на огнища, разположени дълбоко в човешкото тяло (вижте рентгенови филтри). За да се характеризира качеството на нехомогенен рентгенов лъч, се използва понятието "половин затихващ слой (L)" - слой от вещество, което намалява наполовина радиацията. Дебелината на този слой зависи от напрежението на тръбата, дебелината и материала на филтъра. Целофан (до енергия от 12 keV), алуминий (20–100 keV), мед (60–300 keV), олово и мед (>300 keV) се използват за измерване на слоевете на половин затихване. За рентгенови лъчи, генерирани при напрежения от 80-120 kV, 1 mm мед е еквивалентен по капацитет на филтриране на 26 mm алуминий, 1 mm олово е еквивалентен на 50,9 mm алуминий.

Поглъщането и разсейването на рентгеновите лъчи се дължи на неговите корпускулярни свойства; Рентгеновите лъчи взаимодействат с атомите като поток от корпускули (частици) - фотони, всеки от които има определена енергия (обратно пропорционална на дължината на вълната на рентгеновите лъчи). Енергийният диапазон на рентгеновите фотони е 0,05-500 keV.

Абсорбцията на рентгеновото лъчение се дължи на фотоелектричния ефект: абсорбцията на фотон от електронната обвивка е придружена от изхвърляне на електрон. Атомът се възбужда и, връщайки се в основно състояние, излъчва характерно лъчение. Излъченият фотоелектрон отнася цялата енергия на фотона (минус енергията на свързване на електрона в атома).

Разсейването на рентгеновото лъчение се дължи на електроните на разсейващата среда. Има класическо разсейване (дължината на вълната на лъчението не се променя, но се променя посоката на разпространение) и разсейване с промяна на дължината на вълната - ефектът на Комптън (дължината на вълната на разсеяното лъчение е по-голяма от падащото). В последния случай фотонът се държи като движеща се топка и разсейването на фотоните се случва, според образния израз на Комнтън, като игра на билярд с фотони и електрони: сблъсквайки се с електрон, фотонът предава част от енергията си към него и се разпръсква, имайки вече по-малка енергия (съответно дължината на вълната на разсеяното лъчение се увеличава), електронът излита от атома с енергия на отката (тези електрони се наричат ​​електрони на Комптон или електрони на отката). Поглъщането на енергията на рентгеновите лъчи възниква по време на образуването на вторични електрони (Комптън - и фотоелектрони) и преноса на енергия към тях. Енергията на рентгеновите лъчи, прехвърлена на единица маса вещество, определя погълнатата доза на рентгеновите лъчи. Единицата на тази доза 1 rad съответства на 100 erg/g. Благодарение на погълнатата енергия в веществото на абсорбера възникват редица вторични процеси, които са важни за рентгеновата дозиметрия, тъй като на тях се основават методите за рентгеново измерване. (виж Дозиметрия).

Всички газове и много течности, полупроводници и диелектрици под действието на рентгеновите лъчи повишават електропроводимостта. Проводимостта се открива от най-добрите изолационни материали: парафин, слюда, каучук, кехлибар. Промяната в проводимостта се дължи на йонизацията на средата, т.е. разделянето на неутралните молекули на положителни и отрицателни йони (йонизацията се произвежда от вторични електрони). Йонизацията във въздуха се използва за определяне на експозиционната доза на рентгеново лъчение (доза във въздуха), която се измерва в рентгени (виж Дози на йонизиращо лъчение). При доза от 1 r погълнатата доза във въздуха е 0,88 rad.

Под действието на рентгеновите лъчи, в резултат на възбуждането на молекулите на веществото (и при рекомбинацията на йони), в много случаи се възбужда видимо сияние на веществото. При висок интензитет на рентгеновото лъчение се наблюдава видимо светене на въздух, хартия, парафин и др.(изключение правят металите). Най-високият добив на видима светлина се дава от такива кристални фосфори като Zn·CdS·Ag-фосфор и други, използвани за екрани при флуороскопия.

Под действието на рентгеновите лъчи в едно вещество могат да протичат и различни химични процеси: разлагане на сребърни халиди (фотографски ефект, използван при рентгеновите лъчи), разлагане на вода и водни разтвори на водороден прекис, промяна в свойства на целулоид (помътняване и отделяне на камфор), парафин (помътняване и избелване) .

В резултат на пълно преобразуване цялата рентгенова енергия, погълната от химически инертното вещество, се превръща в топлина. Измерването на много малки количества топлина изисква високочувствителни методи, но това е основният метод за абсолютни измервания на рентгенови лъчи.

Вторичните биологични ефекти от излагането на рентгенови лъчи са в основата на медицинската лъчетерапия (виж). Рентгеновите лъчи, чиито кванти са 6-16 keV (ефективни дължини на вълните от 2 до 5 Å), се абсорбират почти напълно от кожата на тъканта на човешкото тяло; те се наричат ​​гранични лъчи или понякога лъчи на Бука (виж лъчи на Бука). За дълбока рентгенова терапия се използва твърдо филтрирано лъчение с ефективни енергийни кванти от 100 до 300 keV.

Биологичният ефект на рентгеновото лъчение трябва да се има предвид не само при рентгеновата терапия, но и при рентгеновата диагностика, както и във всички други случаи на контакт с рентгенови лъчи, които изискват използването на радиационна защита ( виж).

РЕНТГЕНОВО ИЗЛЪЧВАНЕ
невидима радиация, способна да прониква, макар и в различна степен, през всички вещества. Това е електромагнитно лъчение с дължина на вълната около 10-8 см. Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи причиняват почерняване на фотолентата. Това свойство е от голямо значение за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и след това падайки върху филма, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата способност на рентгеновото лъчение е различна за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-светли области на снимката от тези, през които лъчението прониква добре. По този начин костните тъкани са по-малко прозрачни за рентгенови лъчи от тъканите, които изграждат кожата и вътрешните органи. Поради това на рентгеновата снимка костите ще бъдат обозначени като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-прозрачно за радиация, може да бъде доста лесно открито. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в индустрията за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми. Рентгеновите лъчи се използват в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите. Рентгенов лъч, преминаващ през химично съединение, предизвиква характерно вторично лъчение, чийто спектроскопски анализ позволява на химика да определи състава на съединението. При падане върху кристално вещество, рентгеновият лъч се разпръсква от атомите на кристала, давайки ясен, правилен модел на петна и ивици върху фотографска плака, което позволява да се установи вътрешната структура на кристала. Използването на рентгенови лъчи при лечение на рак се основава на факта, че те убиват раковите клетки. Въпреки това, той може да има и нежелан ефект върху нормалните клетки. Следователно трябва да се подхожда изключително внимателно при тази употреба на рентгенови лъчи. Рентгеновото лъчение е открито от немския физик В. Рентген (1845-1923). Неговото име е увековечено в някои други физически термини, свързани с това лъчение: международната единица за доза йонизиращо лъчение се нарича рентген; снимка, направена с рентгенов апарат, се нарича рентгенова снимка; Областта на радиологичната медицина, която използва рентгенови лъчи за диагностициране и лечение на заболявания, се нарича радиология. Рентген открива радиацията през 1895 г., докато е професор по физика в университета във Вюрцбург. Докато провежда експерименти с катодни лъчи (електронни потоци в газоразрядни тръби), той забелязва, че екран, разположен близо до вакуумната тръба, покрит с кристален бариев цианоплатинит, свети ярко, въпреки че самата тръба е покрита с черен картон. По-нататък Рьонтген установява, че проникващата сила на откритите от него неизвестни лъчи, които той нарича рентгенови лъчи, зависи от състава на абсорбиращия материал. Той също изобрази костите на собствената си ръка, като я постави между катодно-лъчева разрядна тръба и екран, покрит с бариев цианоплатинит. Откритието на Рьонтген е последвано от експерименти на други изследователи, които откриват много нови свойства и възможности за използване на това лъчение. Голям принос имат M. Laue, W. Friedrich и P. Knipping, които демонстрират през 1912 г. дифракцията на рентгеновите лъчи, когато преминават през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретява високовакуумна рентгенова тръба с нагрят катод; G. Moseley, който установи през 1913 г. връзката между дължината на вълната на радиацията и атомния номер на елемента; G. и L. Braggi, които получават Нобелова награда през 1915 г. за разработване на основите на рентгеновия дифракционен анализ.
ПОЛУЧАВАНЕ НА РЕНТГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ
Рентгеновото лъчение възниква, когато електроните, движещи се с висока скорост, взаимодействат с материята. Когато електроните се сблъскат с атоми на което и да е вещество, те бързо губят кинетичната си енергия. В този случай по-голямата част от нея се превръща в топлина, а малка част, обикновено под 1%, се превръща в рентгенова енергия. Тази енергия се освобождава под формата на кванти - частици, наречени фотони, които имат енергия, но имат нулева маса на покой. Рентгеновите фотони се различават по своята енергия, която е обратно пропорционална на тяхната дължина на вълната. При конвенционалния метод за получаване на рентгенови лъчи се получава широк диапазон от дължини на вълните, който се нарича рентгенов спектър. Спектърът съдържа ясно изразени компоненти, както е показано на фиг. 1. Широкият "континуум" се нарича непрекъснат спектър или бяло лъчение. Острите пикове, насложени върху него, се наричат ​​характерни рентгенови емисионни линии. Въпреки че целият спектър е резултат от сблъсъци на електрони с материя, механизмите за появата на широката му част и линиите са различни. Веществото се състои от голям брой атоми, всеки от които има ядро, заобиколено от електронни обвивки, и всеки електрон в обвивката на атом на даден елемент заема определено дискретно енергийно ниво. Обикновено тези обвивки или енергийни нива се обозначават със символите K, L, M и т.н., като се започне от обвивката, която е най-близо до ядрото. Когато падащ електрон с достатъчно висока енергия се сблъска с един от електроните, свързани с атома, той избива този електрон от обвивката му. Празното пространство се заема от друг електрон от обвивката, което отговаря на по-висока енергия. Последният отделя излишна енергия чрез излъчване на рентгенов фотон. Тъй като обвивните електрони имат дискретни енергийни стойности, получените рентгенови фотони също имат дискретен спектър. Това съответства на остри пикове за определени дължини на вълните, чиито специфични стойности зависят от целевия елемент. Характеристичните линии образуват K-, L- и M-серии, в зависимост от коя обвивка (K, L или M) е отстранен електронът. Връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и атомния номер се нарича закон на Моузли (фиг. 2).

Това са трите основни уравнения на Лауе за рентгенова дифракция, като числата h, k и c са индексите на Милър за дифракционната равнина.
Вижте същоКРИСТАЛИ И КРИСТАЛОГРАФИЯ. Като се има предвид всяко от уравненията на Лауе, например първото, може да се забележи, че тъй като a, a0, l са константи и h = 0, 1, 2, ..., неговото решение може да бъде представено като набор от конуси с обща ос а (фиг. 5). Същото важи и за посоките b и c. В общия случай на тримерно разсейване (дифракция) трите уравнения на Лауе трябва да имат общо решение, т.е. три дифракционни конуса, разположени на всяка от осите, трябва да се пресичат; общата линия на пресичане е показана на фиг. 6. Съвместното решение на уравненията води до закона на Брег-Вулф: