Upotreba rendgenskih zraka. Analiza nesavršenosti kristalne strukture. Izlaganje rendgenskim zracima trudnica
FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE RUSKOG FEDERACIJE
DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA
VISOKO STRUČNO OBRAZOVANJE
MOSKVSKI DRŽAVNI INSTITUT ZA ČELIK I LEGURE
(TEHNOLOŠKI UNIVERZITET)
NOVOTROITSKY BRANCH
Odjel za OEND
NASTAVNI RAD
Disciplina: fizika
Tema: RTG
Student: Nedorezova N.A.
Grupa: EiU-2004-25, br. Z.K.: 04N036
Provjerio: Ozhegova S.M.
Uvod
Poglavlje 1
1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada
1.2 Otkriće rendgenskih zraka
Poglavlje 2
2.1 Izvori rendgenskih zraka
2.2 Svojstva rendgenskih zraka
2.3 Registracija rendgenskih zraka
2.4 Upotreba rendgenskih zraka
Poglavlje 3
3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture
3.2 Analiza spektra
Zaključak
Spisak korištenih izvora
Prijave
Uvod
Rijetka osoba nije prošla kroz rendgensku salu. Slike snimljene rendgenskim snimcima svima su poznate. Godine 1995. ovo otkriće je bilo staro 100 godina. Teško je zamisliti kakvo je veliko interesovanje izazvalo prije jednog stoljeća. Ispostavilo se da je u rukama čovjeka aparat pomoću kojeg je bilo moguće vidjeti nevidljivo.
Ovo nevidljivo zračenje, sposobno da prodre, doduše u različitom stepenu, u sve supstance, a to je elektromagnetno zračenje talasne dužine od oko 10-8 cm, nazvano je rendgensko zračenje, u čast Wilhelma Rentgena koji ga je otkrio.
Poput vidljive svjetlosti, rendgenski zraci uzrokuju zacrnjenje fotografskog filma. Ova nekretnina je od velikog značaja za medicinu, industriju i naučna istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na film, rendgensko zračenje oslikava njegovu unutrašnju strukturu na njemu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni daju svjetlije površine na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čine kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti biti označene kao svjetlije površine, a mjesto prijeloma, koje je manje prozirno za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rendgensko snimanje se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao i u industriji za otkrivanje pukotina u odljevcima, plastici i gumama, u hemiji za analizu spojeva i u fizici za proučavanje strukture kristala .
Otkriće Rentgena pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i mogućnosti za primjenu ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskih zraka dok prolaze kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Braggy, koji su 1915. dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova analize difrakcije rendgenskih zraka.
Svrha ovog kursa je proučavanje fenomena rendgenskog zračenja, istorijat otkrića, svojstva i utvrđivanje obima njegove primjene.
Poglavlje 1
1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada
Wilhelm Conrad Roentgen rođen je 17. marta 1845. godine u pograničnom području Njemačke sa Holandijom, u gradu Lenepe. Tehničko obrazovanje stekao je u Cirihu na istoj Višoj tehničkoj školi (Politehnika) gdje je kasnije studirao Ajnštajn. Strast prema fizici primorala ga je nakon što je završio školu 1866. da nastavi fizičko obrazovanje.
Godine 1868. odbranio je disertaciju za zvanje doktora filozofije, radio je kao asistent na Odsjeku za fiziku, prvo u Cirihu, zatim u Giesenu, a zatim u Strazburu (1874-1879) kod Kundta. Ovdje je Rentgen prošao dobru eksperimentalnu školu i postao prvoklasni eksperimentator. Roentgen je izveo dio važnog istraživanja sa svojim učenikom, jednim od osnivača sovjetske fizike, A.F. Ioffe.
Naučna istraživanja se odnose na elektromagnetizam, kristalnu fiziku, optiku, molekularnu fiziku.
1895. otkrio je zračenje s talasnom dužinom kraćom od talasne dužine ultraljubičastih zraka (X-zraka), kasnije nazvanih rendgenskim zracima, i istražio njihova svojstva: sposobnost reflektiranja, apsorpcije, jonizacije zraka itd. Predložio je ispravan dizajn cijevi za dobijanje rendgenskih zraka - nagnutu platinastu antikatodu i konkavnu katodu: prvi je napravio fotografije pomoću rendgenskih zraka. Godine 1885. otkrio je magnetsko polje dielektrika koji se kreće u električnom polju (tzv. "struja rendgenskog zraka"). Njegovo iskustvo je jasno pokazalo da magnetsko polje nastaje pokretnim nabojima i bilo je važno za stvaranje X. Lorentzova elektronska teorija. Značajan broj Rentgenovih radova posvećen je proučavanju svojstava tečnosti, gasova, kristala, elektromagnetnih pojava, otkrio je vezu između električnih i optičkih pojava u kristalima. Za otkriće zraka koje nose njegovo ime, Rentgen je 1901. godine bio prvi među fizičarima koji je dobio Nobelovu nagradu.
Od 1900. do posljednjih dana života (umro 10. februara 1923.) radio je na Univerzitetu u Minhenu.
1.2 Otkriće rendgenskih zraka
Kraj 19. vijeka je obilježeno povećanim interesovanjem za fenomene prolaska električne energije kroz gasove. Čak je i Faraday ozbiljno proučavao ove pojave, opisao različite oblike pražnjenja, otkrio tamni prostor u svjetlećem stupcu razrijeđenog plina. Faradejev tamni prostor odvaja plavičasti katodni sjaj od ružičastog anodnog sjaja.
Dalje povećanje razrjeđivanja plina značajno mijenja prirodu sjaja. Matematičar Plücker (1801-1868) otkrio je 1859. godine, pri dovoljno jakom razrjeđivanju, slabo plavičasti snop zraka koji je izlazio iz katode, koji je dospio do anode i uzrokovao sjaj stakla cijevi. Plückerov učenik Gittorf (1824-1914) 1869. nastavio je istraživanje svog učitelja i pokazao da se na fluorescentnoj površini cijevi pojavljuje izrazita sjena ako se između katode i ove površine postavi čvrsto tijelo.
Goldstein (1850-1931), proučavajući svojstva zraka, nazvao ih je katodnim zracima (1876). Tri godine kasnije, William Crookes (1832-1919) je dokazao materijalnu prirodu katodnih zraka i nazvao ih "zračećom materijom" - supstancom u posebnom četvrtom stanju. Njegov dokaz je bio uvjerljiv i jasan. Eksperimenti sa "Crookesovom cijevi" su kasnije demonstrirano u svim učionicama fizičkog. Skretanje katodnog snopa magnetnim poljem u Crookesovoj cijevi postalo je klasična školska demonstracija.
Međutim, eksperimenti o električnom otklonu katodnih zraka nisu bili tako uvjerljivi. Hertz nije otkrio takvo odstupanje i došao je do zaključka da je katodna zraka oscilatorni proces u eteru. Hercov učenik F. Lenard, eksperimentišući sa katodnim zrakama, pokazao je 1893. da one prolaze kroz prozor prekriven aluminijumskom folijom i izazivaju sjaj u prostoru iza prozora. Hertz je svoj posljednji članak, objavljen 1892. godine, posvetio fenomenu prolaska katodnih zraka kroz tanka metalna tijela, a počeo je riječima:
“Katodne zrake se razlikuju od svjetlosti na značajan način u smislu njihove sposobnosti da prodiru u čvrste tvari.” Opisujući rezultate eksperimenata na prolasku katodnih zraka kroz listove zlata, srebra, platine, aluminija itd., Hertz napominje da nije uočiti posebne razlike u pojavama Zraci ne prolaze kroz listove pravolinijski, već se raspršuju difrakcijom. Priroda katodnih zraka još je bila nejasna.
S takvim cijevima Crookesa, Lenarda i drugih eksperimentirao je krajem 1895. würzburški profesor Wilhelm Konrad Roentgen. Jednom, nakon završetka eksperimenta, zatvorio je cijev crnim kartonskim poklopcem, ugasio svjetlo, ali nije isključio induktor koji je napajao cev, primetio je sjaj ekrana od barijum cijanogena koji se nalazi u blizini cevi. Pogođen ovom okolnošću, Rentgen je počeo da eksperimentiše sa ekranom. U svom prvom izvještaju „O novoj vrsti zraka“, od 28. decembra 1895., o ovim prvim eksperimentima piše: „Parče papira obloženog barijum-platin-cijanidom, pri približavanju cijevi, zatvoren poklopcem od tanke crne boje. karton koji mu dovoljno dobro pristaje, pri svakom pražnjenju bljesne jarkim svjetlom: počinje fluorescirati. Fluorescencija je vidljiva uz dovoljno zatamnjenja i ne zavisi od toga da li papir donosimo sa bočne strane obložene barijum sinerogenom ili nije premazana barijum sinerogenom. Fluorescencija je uočljiva čak i na udaljenosti od dva metra od cijevi.”
Pažljivo ispitivanje je pokazalo Rentgenu "da crni karton, koji nije proziran ni za vidljive i ultraljubičaste zrake sunca, ni za zrake električnog luka, prodire neka vrsta fluorescentnog sredstva." Rentgen je istraživao prodornu moć ovog "agensa" , koje je za kratkoću nazvao "rendgenskim zracima", za razne supstance.Utvrdio je da zraci slobodno prolaze kroz papir, drvo, ebonit, tanke slojeve metala, ali ih snažno odlaže olovo.
Zatim opisuje senzacionalno iskustvo:
“Ako držite ruku između cijevi za pražnjenje i ekrana, možete vidjeti tamne sjene kostiju u slabim obrisima sjene same ruke.” Ovo je bio prvi rendgenski pregled ljudskog tijela. Roentgen primio je i prve rendgenske snimke tako što ih je pričvrstio za ruku.
Ovi snimci su ostavili ogroman utisak; otkriće još nije bilo završeno, a rendgenska dijagnostika je već započela svoj put. "Moja laboratorija je bila preplavljena doktorima koji su dovodili pacijente koji su sumnjali da imaju igle u različitim dijelovima tijela", napisao je engleski fizičar Šuster.
Već nakon prvih eksperimenata, Roentgen je čvrsto utvrdio da se rendgenski zraci razlikuju od katodnih, ne nose naboj i ne odbijaju ih magnetsko polje, ali ih pobuđuju katodni zraci. "Rentgensko zračenje nije identično katodnom zrake, ali ih pobuđuju u staklenim stijenkama cijevi za pražnjenje”, napisao je Roentgen.
Takođe je ustanovio da su uzbuđeni ne samo u staklu, već i u metalima.
Spominjući Hertz-Lenardovu hipotezu da su katodne zrake “fenomen koji se javlja u eteru”, Roentgen ističe da “možemo reći nešto slično o našim zracima”. Međutim, nije uspio da otkrije valna svojstva zraka, oni se "ponašaju drugačije od do sada poznatih ultraljubičastih, vidljivih, infracrvenih zraka." Po svom hemijskom i luminiscentnom djelovanju, prema Rentgenu, slični su ultraljubičastim zracima. U prvoj poruci , on je iznio pretpostavku ostavljenu kasnije da to mogu biti longitudinalni valovi u etru.
Rentgenovo otkriće izazvalo je veliko interesovanje u naučnom svetu. Njegovi eksperimenti su ponovljeni u gotovo svim laboratorijama u svijetu. U Moskvi ih je ponovio P.N. Lebedev. U Sankt Peterburgu, izumitelj radija A.S. Popov je eksperimentisao sa rendgenskim zracima, demonstrirao ih na javnim predavanjima, primajući razne rendgenske snimke. U Kembridžu D.D. Thomson je odmah primijenio jonizujući efekat rendgenskih zraka kako bi proučio prolaz električne energije kroz plinove. Njegovo istraživanje dovelo je do otkrića elektrona.
Poglavlje 2
Rentgensko zračenje - elektromagnetno jonizujuće zračenje, koje zauzima područje spektra između gama i ultraljubičastog zračenja u talasnim dužinama od 10 -4 do 10 3 (od 10 -12 do 10 -5 cm).R. l. sa talasnom dužinom λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - mekano.
2.1 Izvori rendgenskih zraka
Najčešći izvor rendgenskih zraka je rendgenska cijev.
Rendgenske cijevi se koriste u rendgenskoj strukturnoj analizi
Glavne karakteristike rendgenskih cijevi su maksimalni dozvoljeni napon ubrzanja (1-500 kV), elektronska struja (0,01 mA - 1A), specifična snaga raspršena anodom (10-10 4 W / mm 2), ukupna potrošnja energije (0,002 W - 60 kW) i veličine fokusa (1 µm - 10 mm). Efikasnost rendgenske cijevi je 0,1-3%.
Neki radioaktivni izotopi mogu poslužiti i kao izvori rendgenskih zraka.
Sinhrotroni i prstenovi za skladištenje elektrona sa energijama od nekoliko GeV mogu poslužiti kao izvori mekih X-zraka sa λ reda desetina i stotina. Po intenzitetu, rendgensko zračenje sinhrotrona premašuje zračenje rendgenske cijevi u navedenom području spektra za 2-3 reda veličine.
Prirodni izvori rendgenskih zraka - Sunce i drugi svemirski objekti.
2.2 Svojstva rendgenskih zraka
U zavisnosti od mehanizma nastanka rendgenskih zraka, njihovi spektri mogu biti kontinuirani (kočni) ili linijski (karakteristični). Kontinuirani rendgenski spektar emituju brzo nabijene čestice kao rezultat njihovog usporavanja pri interakciji sa ciljnim atomima; ovaj spektar dostiže značajan intenzitet samo kada se meta bombarduje elektronima. Intenzitet kočnog rendgenskog zračenja je raspoređen na svim frekvencijama do visokofrekventne granice 0 , na kojoj je energija fotona h 0 (h je Plankova konstanta
Linijsko zračenje nastaje nakon jonizacije atoma izbacivanjem elektrona iz jedne od njegovih unutrašnjih ljuski. Takva jonizacija može biti rezultat sudara atoma sa brzom česticom, kao što je elektron (primarni rendgenski zraci), ili apsorpcije fotona od strane atoma (fluorescentno rendgensko zračenje). Jonizovani atom se nalazi u početnom kvantnom stanju na jednom od visokih energetskih nivoa i nakon 10 -16 -10 -15 sekundi prelazi u konačno stanje sa nižom energijom. U ovom slučaju, atom može emitovati višak energije u obliku fotona određene frekvencije. Frekvencije linija spektra takvog zračenja karakteristične su za atome svakog elementa, pa se linijski rendgenski spektar naziva karakterističnim. Ovisnost linijske frekvencije ovog spektra od atomskog broja Z određena je Moseleyjevim zakonom.
Moseleyjev zakon, zakon koji povezuje frekvenciju spektralnih linija karakteristične rendgenske emisije hemijskog elementa sa njegovim serijskim brojem. G. Moseley eksperimentalno instaliran
gdje je R Rydbergova konstanta
Moseleyjev zakon je bio nepobitan dokaz ispravnog postavljanja elemenata u periodni sistem elemenata
U skladu sa Moseleyjevim zakonom, rendgenski karakteristični spektri ne pokazuju periodične obrasce svojstvene optičkim spektrima. Ovo ukazuje da unutrašnje elektronske ljuske atoma svih elemenata koji se pojavljuju u karakterističnim rendgenskim spektrima imaju sličnu strukturu.
Kasniji eksperimenti otkrili su neka odstupanja od linearne zavisnosti za prelazne grupe elemenata, povezana sa promenom redosleda punjenja spoljašnjih elektronskih omotača, kao i za teške atome, koja se javljaju kao rezultat relativističkih efekata (uslovno objašnjenih činjenica da su brzine unutrašnjih uporedive sa brzinom svjetlosti).
Ovisno o brojnim faktorima - o broju nukleona u jezgru (izotonični pomak), stanju vanjskih elektronskih ljuski (hemijski pomak), itd. - položaj spektralnih linija na Moseley dijagramu može se donekle promijeniti. Proučavanje ovih pomaka omogućava dobijanje detaljnih informacija o atomu.
Rendgensko zračenje kočnog zračenja koje emituju veoma tanke mete potpuno su polarizovane blizu 0; kako 0 opada, stepen polarizacije opada. Karakteristično zračenje, po pravilu, nije polarizovano.
Kada rendgenski zraci stupaju u interakciju sa materijom, može doći do fotoelektričnog efekta.
Kada X-zrake prođu kroz sloj tvari debljine x, njihov početni intenzitet I 0 opada na vrijednost I = I 0 e - μ x gdje je μ koeficijent slabljenja. Slabljenje I nastaje zbog dva procesa: apsorpcije rendgenskih fotona materijom i promjene njihovog smjera nakon raspršivanja. U dugovalnom području spektra dominira apsorpcija rendgenskih zraka, au kratkovalnom području njihovo raspršivanje. Stepen apsorpcije se brzo povećava sa povećanjem Z i λ. Na primjer, tvrdi rendgenski zraci slobodno prodiru kroz sloj zraka ~ 10 cm; aluminijumska ploča debljine 3 cm slabi rendgenske zrake sa λ = 0,027 upola; meki rendgenski zraci se značajno apsorbuju u vazduhu i njihovo korišćenje i proučavanje moguće je samo u vakuumu ili u gasu koji slabo apsorbuje (na primer He). Kada se X-zraci apsorbuju, atomi supstance se joniziraju.
Utjecaj rendgenskih zraka na žive organizme može biti koristan ili štetan, ovisno o jonizaciji koju uzrokuju u tkivima. Pošto apsorpcija rendgenskih zraka zavisi od λ, njihov intenzitet ne može poslužiti kao mjera biološkog efekta rendgenskih zraka. Mjerenja rendgenskih zraka koriste se za mjerenje uticaja rendgenskih zraka na materiju.
Rasipanje rendgenskih zraka u području velikih Z i λ događa se uglavnom bez promjene λ i naziva se koherentno rasejanje, dok se u području malih Z i λ po pravilu povećava (nekoherentno raspršivanje). Postoje 2 vrste nekoherentnog raspršenja rendgenskih zraka - Compton i Raman. U Comptonovom rasejanju, koje ima karakter neelastičnog korpuskularnog rasejanja, elektron trzanja izleti iz atomske ljuske zbog energije koju delimično gubi foton X zraka. U tom slučaju energija fotona se smanjuje i njegov smjer se mijenja; promjena λ zavisi od ugla raspršenja. Prilikom Ramanskog raspršenja visokoenergetskog rendgenskog fotona svjetlosnim atomom, mali dio njegove energije troši se na jonizaciju atoma i smjer kretanja fotona se mijenja. Promjena takvih fotona ne zavisi od ugla raspršenja.
Indeks prelamanja n za x-zrake razlikuje se od 1 za vrlo mali iznos δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Fazna brzina rendgenskih zraka u mediju je veća od brzine svjetlosti u vakuumu. Devijacija rendgenskih zraka pri prelasku iz jednog medija u drugi je vrlo mala (nekoliko lučnih minuta). Kada rendgenske zrake padaju iz vakuuma na površinu tijela pod vrlo malim uglom, dolazi do njihove totalne vanjske refleksije.
2.3 Registracija rendgenskih zraka
Ljudsko oko nije osjetljivo na rendgenske zrake. rendgenski snimak
zraci se snimaju pomoću posebnog rendgenskog filma koji sadrži povećanu količinu Ag, Br. U regionu λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, osjetljivost običnog pozitivnog filma je prilično visoka, a njegova zrna su mnogo manja od zrna rendgenskog filma, što povećava rezoluciju. Na λ reda desetina i stotina, rendgenski zraci djeluju samo na najtanji površinski sloj fotografske emulzije; da bi se povećala osjetljivost filma, senzibilizira se luminiscentnim uljima. U rendgenskoj dijagnostici i detekciji kvarova, elektrofotografija se ponekad koristi za snimanje rendgenskih zraka.
Rendgenski zraci visokog intenziteta mogu se snimiti pomoću jonizacijske komore
2.4 Upotreba rendgenskih zraka
X-zrake se najčešće koriste u medicini za rendgensku dijagnostiku.
Analiza rendgenske strukture
Rentgenska mikroskopija
X-zrake koje dolaze iz svemira nose informacije o hemijskom sastavu kosmičkih tijela i o fizičkim procesima koji se odvijaju u svemiru. Rentgenska astronomija se bavi proučavanjem kosmičkih rendgenskih zraka
Poglavlje 3
Jedan od glavnih zadataka analize rendgenske difrakcije je određivanje materijalnog ili faznog sastava materijala. Metoda difrakcije rendgenskih zraka je direktna i odlikuje se visokom pouzdanošću, brzinom i relativnom jeftinošću. Metoda ne zahtijeva veliku količinu tvari, analiza se može izvesti bez uništavanja dijela. Područja primjene kvalitativne fazne analize su veoma raznolika kako za naučna istraživanja tako i za kontrolu u proizvodnji. Možete provjeriti sastav sirovina metalurške proizvodnje, proizvode sinteze, preradu, rezultat faznih promjena tokom termičke i hemijsko-termalne obrade, analizirati različite premaze, tanke filmove itd.
Svaku fazu, koja ima svoju kristalnu strukturu, karakterizira određeni skup diskretnih vrijednosti međuplanarnih udaljenosti d/n od maksimuma i ispod, svojstvenih samo ovoj fazi. Kao što slijedi iz Wulf-Braggove jednačine, svaka vrijednost međuplanarnog razmaka odgovara liniji na dijagramu rendgenske difrakcije polikristalnog uzorka pod određenim kutom θ (pri datoj vrijednosti valne dužine λ). Dakle, određeni sistem linija (difrakcijski maksimumi) će odgovarati određenom skupu međuplanarnih udaljenosti za svaku fazu u dijagramu difrakcije rendgenskih zraka. Relativni intenzitet ovih linija u rendgenskom uzorku zavisi prvenstveno od strukture faze. Dakle, određivanjem položaja linija na rendgenskoj slici (njegov ugao θ) i poznavanjem talasne dužine zračenja na kojoj je rendgenska slika snimljena, moguće je odrediti vrednosti međuplanarnih udaljenosti d/n koristeći Wulf-Bragg formulu:
/n = λ/ (2sin θ). (jedan)
Određivanjem skupa d/n za materijal koji se proučava i upoređivanjem sa prethodno poznatim d/n podacima za čiste supstance, njihova različita jedinjenja, moguće je utvrditi koju fazu čini ovaj materijal. Treba naglasiti da se određuju faze, a ne hemijski sastav, ali se potonji ponekad može zaključiti ako postoje dodatni podaci o elementarnom sastavu određene faze. Zadatak kvalitativne fazne analize uvelike je olakšan ako je poznat hemijski sastav materijala koji se proučava, jer je tada moguće napraviti preliminarne pretpostavke o mogućim fazama u ovom slučaju.
Ključ za faznu analizu je precizno mjerenje d/n i intenziteta linije. Iako je to u principu lakše postići korištenjem difraktometra, fotometoda za kvalitativnu analizu ima neke prednosti, prvenstveno u smislu osjetljivosti (mogućnost detekcije prisustva male količine faze u uzorku), kao i jednostavnosti analize. eksperimentalnu tehniku.
Izračunavanje d/n iz rendgenskog uzorka vrši se pomoću Wulf-Braggove jednačine.
Kao vrijednost λ u ovoj jednadžbi, obično se koristi λ α cf K-serija:
λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Ponekad se koristi linija K α1. Određivanje uglova difrakcije θ za sve rendgenske linije omogućava vam da izračunate d/n prema jednačini (1) i odvojite β-linije (ako nije bilo filtera za (β-zrake).
3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture
Svi pravi monokristalni, a još više polikristalni materijali sadrže određene strukturne nesavršenosti (tačkaste defekte, dislokacije, različite vrste interfejsa, mikro- i makronaprezanja), koje imaju veoma snažan uticaj na sva strukturno osetljiva svojstva i procese.
Strukturne nesavršenosti uzrokuju izobličenja kristalne rešetke različite prirode i, kao rezultat toga, različite vrste promjena u uzorku difrakcije: promjena međuatomskih i interplanarnih udaljenosti uzrokuje pomak difrakcijskih maksimuma, mikronaprezanja i disperzija podstrukture dovode do širenja difrakcijskih maksimuma, mikrodistorzije rešetke - do promjene intenziteta ovih maksimuma, prisutnost dislokacija uzrokuje anomalne pojave pri prolasku rendgenskih zraka i, posljedično, lokalne kontrastne nehomogenosti na rendgenskim topogramima itd.
Kao rezultat toga, analiza difrakcije rendgenskih zraka jedna je od najinformativnijih metoda za proučavanje strukturnih nesavršenosti, njihove vrste i koncentracije, te prirode njihove distribucije.
Tradicionalna direktna metoda difrakcije rendgenskih zraka, koja se primjenjuje na stacionarnim difraktometrima, zbog svojih konstrukcijskih karakteristika omogućava kvantitativno određivanje napona i deformacija samo na malim uzorcima izrezanim iz dijelova ili predmeta.
Stoga, trenutno postoji prijelaz sa stacionarnih na prijenosne rendgenske difraktometre male veličine, koji daju procjenu naprezanja u materijalu dijelova ili predmeta bez razaranja u fazama njihove proizvodnje i rada.
Prijenosni rendgenski difraktometri serije DRP * 1 omogućavaju kontrolu zaostalih i efektivnih napona u velikim dijelovima, proizvodima i strukturama bez razaranja
Program u Windows okruženju omogućava ne samo određivanje napona metodom "sin 2 ψ" u realnom vremenu, već i praćenje promjene faznog sastava i teksture. Linearni koordinatni detektor omogućava istovremenu registraciju pri uglovima difrakcije 2θ = 43°. rendgenske cijevi male veličine tipa "Fox" velike svjetline i male snage (5 W) osiguravaju radiološka sigurnost uređaja, u kojima je na udaljenosti od 25 cm od ozračenog područja nivo zračenja jednak prirodni nivo pozadine. Uređaji serije DRP se koriste za određivanje napona u različitim fazama oblikovanja metala, rezanja, brušenja, termičke obrade, zavarivanja, površinskog kaljenja u cilju optimizacije ovih tehnoloških operacija. Kontrola pada nivoa indukovanih zaostalih tlačnih napona u posebno kritičnim proizvodima i konstrukcijama tokom njihovog rada omogućava da se proizvod stavi van upotrebe pre njegovog uništenja, sprečavajući moguće nesreće i katastrofe.
3.2 Analiza spektra
Uz određivanje atomske kristalne strukture i faznog sastava materijala, za njegovu potpunu karakterizaciju, obavezno je određivanje njegovog hemijskog sastava.
U te svrhe u praksi se sve više koriste različite takozvane instrumentalne metode spektralne analize. Svaki od njih ima svoje prednosti i primjenu.
Jedan od važnih zahtjeva u mnogim slučajevima je da korištena metoda osigurava sigurnost analiziranog objekta; Upravo o ovim metodama analize govori se u ovom odeljku. Sljedeći kriterij prema kojem su odabrane metode analize opisane u ovom dijelu je njihov lokalitet.
Metoda fluorescentne rendgenske spektralne analize zasniva se na prodiranju prilično tvrdog rendgenskog zračenja (iz rendgenske cijevi) u analizirani objekt, prodirući u sloj debljine reda nekoliko mikrometara. Karakteristično rendgensko zračenje koje u ovom slučaju nastaje u objektu omogućava da se dobiju prosječni podaci o njegovom kemijskom sastavu.
Za određivanje elementarnog sastava supstance može se koristiti analiza karakterističnog rendgenskog spektra uzorka postavljenog na anodu rendgenske cijevi i podvrgnutog bombardiranju elektronima - emisiona metoda ili analiza sekundarnog (fluorescentni) rendgenski spektar uzorka ozračenog tvrdim rendgenskim zracima iz rendgenske cijevi ili drugog izvora - fluorescentna metoda.
Nedostatak emisione metode je, prvo, potreba da se uzorak postavi na anodu rendgenske cijevi, nakon čega slijedi evakuacija vakuum pumpama; očito, ova metoda nije pogodna za topljive i isparljive tvari. Drugi nedostatak je povezan s činjenicom da su čak i vatrostalni objekti oštećeni bombardiranjem elektrona. Fluorescentna metoda nema ovih nedostataka i stoga ima mnogo širu primjenu. Prednost fluorescentne metode je i odsustvo kočnog zračenja, što poboljšava osjetljivost analize. Poređenje izmjerenih talasnih dužina sa tabelama spektralnih linija hemijskih elemenata je osnova kvalitativne analize, a relativni intenziteti spektralnih linija različitih elemenata koji čine supstancu uzorka čine osnovu kvantitativne analize. Iz razmatranja mehanizma pobuđivanja karakterističnog rendgenskog zračenja, jasno je da zračenja jedne ili druge serije (K ili L, M, itd.) nastaju istovremeno, a odnos intenziteta linija unutar serije je uvijek konstantan. Stoga se prisutnost ovog ili onog elementa utvrđuje ne pojedinačnim linijama, već nizom linija u cjelini (osim onih najslabijih, uzimajući u obzir sadržaj ovog elementa). Za relativno lake elemente koristi se analiza linija K-serije, a za teške elemente linije L-serije; pod različitim uslovima (ovisno o korištenoj opremi i analiziranim elementima), različita područja karakterističnog spektra mogu biti najpogodnija.
Glavne karakteristike rendgenske spektralne analize su sljedeće.
Jednostavnost rendgenskih karakterističnih spektra čak i za teške elemente (u poređenju sa optičkim spektrima), što pojednostavljuje analizu (mali broj linija; sličnost u njihovom međusobnom rasporedu; sa povećanjem rednog broja, redovno pomeranje spektra na javlja se kratkotalasna oblast; komparativna jednostavnost kvantitativne analize).
Nezavisnost valnih dužina od stanja atoma analiziranog elementa (slobodnog ili u hemijskom spoju). To je zbog činjenice da je pojava karakterističnog rendgenskog zračenja povezana s pobudom unutrašnjih elektronskih nivoa, koji se u većini slučajeva praktički ne mijenjaju sa stupnjem jonizacije atoma.
Mogućnost razdvajanja u analizi rijetkih zemalja i nekih drugih elemenata koji imaju male razlike u spektrima u optičkom opsegu zbog sličnosti elektronske strukture vanjskih ljuski i vrlo se malo razlikuju po svojim kemijskim svojstvima.
XRF metoda je "nedestruktivna", pa ima prednost u odnosu na konvencionalnu optičku spektroskopiju kada se analiziraju tanki uzorci - tanki metalni lim, folija itd.
Rendgenski fluorescentni spektrometri, među njima i višekanalni spektrometri ili kvantometri, koji omogućavaju ekspresnu kvantitativnu analizu elemenata (od Na ili Mg do U) sa greškom manjom od 1% utvrđene vrijednosti, pragom osjetljivosti od 10 -3 ... 10 -4% .
rendgenski snop
Metode za određivanje spektralnog sastava rendgenskih zraka
Spektrometri se dijele na dva tipa: kristalno difrakcijski i bezkristalni.
Razlaganje rendgenskih zraka u spektar korištenjem prirodne difrakcijske rešetke - kristala - u suštini je slično dobivanju spektra običnih svjetlosnih zraka korištenjem umjetne difrakcijske rešetke u obliku periodičnih poteza na staklu. Uslov za formiranje difrakcionog maksimuma može se zapisati kao uslov "refleksije" od sistema paralelnih atomskih ravni razdvojenih rastojanjem d hkl .
Prilikom kvalitativne analize, prisustvo elementa u uzorku može se suditi po jednoj liniji - obično najintenzivnijoj liniji spektralnog niza pogodnoj za dati kristal analizatora. Rezolucija spektrometara kristalne difrakcije dovoljna je da odvoji karakteristične linije čak i elemenata koji su susedni na poziciji u periodnom sistemu. Međutim, potrebno je uzeti u obzir i superpoziciju različitih linija različitih elemenata, kao i superpoziciju refleksija različitih redova. Ovu okolnost treba uzeti u obzir pri odabiru analitičkih linija. Istovremeno, potrebno je iskoristiti mogućnosti poboljšanja rezolucije uređaja.
Zaključak
Dakle, rendgenski zraci su nevidljivo elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 10 5 - 10 2 nm. X-zrake mogu prodrijeti u neke materijale koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Emituju se prilikom usporavanja brzih elektrona u materiji (neprekidni spektar) i tokom prelaza elektrona sa spoljašnjih elektronskih omotača atoma na unutrašnje (linearni spektar). Izvori rendgenskog zračenja su: rendgenska cijev, neki radioaktivni izotopi, akceleratori i akumulatori elektrona (sinhrotronsko zračenje). Prijemnici - filmski, luminescentni ekrani, detektori nuklearnog zračenja. X-zrake se koriste u analizi difrakcije rendgenskih zraka, medicini, detekciji mana, rendgenskoj spektralnoj analizi itd.
Uzimajući u obzir pozitivne aspekte otkrića V. Roentgena, potrebno je ukazati na njegovo štetno biološko djelovanje. Pokazalo se da rendgenski zraci mogu izazvati nešto poput jakih opekotina od sunca (eritema), praćenih, međutim, dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji se pojavljuju često se pretvaraju u rak. U mnogim slučajevima, prsti ili šake su morali biti amputirani. Bilo je i smrtnih slučajeva.
Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena izlaganja i doze, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. Ali postepeno su otkriveni drugi, dugoročniji efekti izlaganja rendgenskim zracima, koji su potom potvrđeni i proučavani na eksperimentalnim životinjama. Efekti rendgenskih zraka i drugih jonizujućih zračenja (kao što su gama zraci koje emituju radioaktivni materijali) uključuju:
) privremene promjene u sastavu krvi nakon relativno male ekspozicije;
- nepovratne promjene u sastavu krvi (hemolitička anemija) nakon dužeg prekomjernog izlaganja;
) povećanje incidencije raka (uključujući leukemiju);
) brže starenje i ranu smrt;
) pojava katarakte.
Biološki uticaj rendgenskih zraka na ljudski organizam određen je nivoom doze zračenja, kao i time koji je organ tijela bio izložen zračenju.
Akumulacija znanja o uticaju rendgenskih zraka na ljudski organizam dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dozvoljene doze ekspozicije, objavljenih u različitim referentnim publikacijama.
Da bi se izbjeglo štetno djelovanje rendgenskih zraka, koriste se metode kontrole:
) dostupnost adekvatne opreme,
) praćenje poštivanja sigurnosnih propisa,
) pravilnu upotrebu opreme.
Spisak korištenih izvora
1) Blokhin M.A., Fizika X-zraka, 2. izd., M., 1957;
) Blokhin M.A., Metode rendgenskih spektralnih studija, M., 1959;
) X-zrake. Sat. ed. M.A. Blokhin, trans. s njim. i engleski, M., 1960;
) Kharaja F., Opšti kurs rendgenskog inženjerstva, 3. izd., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Priručnik za analizu rendgenske difrakcije polikristala, M., 1961;
) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Referentne tablice za rendgensku spektroskopiju, M., 1953.
) Rentgenska i elektronsko-optička analiza. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Dodatak za univerzitete. - 4. izd. Dodati. I prerađivač. - M.: "MISiS", 2002. - 360 str.
Prijave
Prilog 1
Opšti pogled na rendgenske cijevi
Dodatak 2
Shema rendgenske cijevi za strukturnu analizu
Šema rendgenske cijevi za strukturnu analizu: 1 - metalno anodno staklo (obično uzemljeno); 2 - prozori od berilija za izlaz rendgenskih zraka; 3 - termoionska katoda; 4 - staklena sijalica, koja izoluje anodni dio cijevi od katode; 5 - katodni terminali, na koje se primjenjuje napon žarne niti, kao i visoki (u odnosu na anodu) napon; 6 - elektrostatički sistem za fokusiranje elektrona; 7 - anoda (antikatoda); 8 - grane za ulaz i izlaz tekuće vode koja hladi anodno staklo.
Aneks 3
Moseley dijagram
Moseley dijagram za K-, L- i M-seriju karakterističnih rendgenskih zraka. Apscisa prikazuje serijski broj elementa Z, ordinata - ( With je brzina svetlosti).
Dodatak 4
Jonizaciona komora.
Fig.1. Presjek cilindrične jonizacijske komore: 1 - cilindrično tijelo komore, koje služi kao negativna elektroda; 2 - cilindrična šipka koja služi kao pozitivna elektroda; 3 - izolatori.
Rice. 2. Šema uključivanja strujne jonizacione komore: V - napon na elektrodama komore; G je galvanometar koji mjeri jonizacionu struju.
Rice. 3. Strujno-naponska karakteristika jonizacijske komore.
Rice. 4. Šema uključivanja pulsne jonizacione komore: C - kapacitet sabirne elektrode; R je otpor.
Dodatak 5
Scintilacioni brojač.
Šema scintilacionog brojača: svjetlosni kvanti (fotoni) "izbijaju" elektrone sa fotokatode; krećući se od dinoda do dinoda, lavina elektrona se umnožava.
Dodatak 6
Geiger-Muller brojač.
Rice. 1. Šema staklenog Geiger-Muller brojača: 1 - hermetički zatvorena staklena cijev; 2 - katoda (tanki sloj bakra na cijevi od nehrđajućeg čelika); 3 - izlaz katode; 4 - anoda (tanka rastegnuta nit).
Rice. 2. Šema uključivanja Geiger-Muller brojača.
Rice. 3. Karakteristika brojanja Geiger-Muller brojača.
Dodatak 7
proporcionalni brojač.
Šema proporcionalnog brojača: a - oblast drifta elektrona; b - područje pojačanja plina.
Dodatak 8
Poluprovodnički detektori
Poluvodički detektori; osjetljivo područje je istaknuto šrafiranjem; n - oblast poluprovodnika sa elektronskom provodljivošću, p - sa rupom, i - sa intrinzičnom provodljivošću; a - silikonski detektor površinske barijere; b - drift germanijum-litijum planarni detektor; c - germanijum-litijum koaksijalni detektor.
PREDAVANJE
RTG ZRAČENJE
Priroda rendgenskih zraka
Rendgensko zračenje kočnog zračenja, njegova spektralna svojstva.
Karakteristično rendgensko zračenje (za pregled).
Interakcija rendgenskog zračenja sa materijom.
Fizičke osnove za upotrebu rendgenskih zraka u medicini.
X-zrake (X-zrake) je otkrio K. Roentgen, koji je 1895. godine postao prvi nobelovac za fiziku.
Priroda rendgenskih zraka
rendgensko zračenje - elektromagnetni talasi dužine od 80 do 10 -5 nm. Dugotalasni X-zraci su pokriveni kratkotalasnim UV zračenjem, a kratkotalasni X-zraci pokriveni su dugotalasnim zračenjem.
X-zrake se proizvode u rendgenskim cijevima. sl.1.
K - katoda
1 - elektronski snop
2 - rendgensko zračenje
Rice. 1. Uređaj sa rendgenskom cijevi.
Cev je staklena boca (sa mogućim visokim vakuumom: pritisak u njoj je oko 10-6 mm Hg) sa dve elektrode: anodom A i katodom K, na koje se primenjuje visoki napon U (nekoliko hiljada volti). Katoda je izvor elektrona (zbog fenomena termoionske emisije). Anoda je metalna šipka koja ima nagnutu površinu kako bi se rezultirajuće rendgensko zračenje usmjerilo pod kutom u odnosu na os cijevi. Napravljen je od materijala koji provode visoku toplinu kako bi uklonio toplinu koja nastaje tokom elektronskog bombardiranja. Na zakošenom kraju nalazi se ploča od vatrostalnog metala (na primjer, volframa).
Snažno zagrijavanje anode posljedica je činjenice da glavni broj elektrona u katodnom snopu, udarivši u anodu, doživljava brojne sudare s atomima tvari i prenosi im veliku količinu energije.
Pod dejstvom visokog napona, elektroni koje emituje filament vruće katode ubrzavaju se do visokih energija. Kinetička energija elektrona jednaka je mv 2 /2. Jednaka je energiji koju dobija kretanjem u elektrostatičkom polju cijevi:
mv 2 /2 = eU(1)
gdje su m, e masa i naboj elektrona, U je napon ubrzanja.
Procesi koji dovode do pojave kočnog rendgenskog zračenja nastaju zbog intenzivnog usporavanja elektrona u materijalu anode elektrostatičkim poljem atomskog jezgra i atomskih elektrona.
Mehanizam porijekla se može predstaviti na sljedeći način. Pokretni elektroni su neka vrsta struje koja formira vlastito magnetsko polje. Usporenje elektrona je smanjenje jačine struje i, shodno tome, promjena indukcije magnetskog polja, što će uzrokovati pojavu naizmjeničnog električnog polja, tj. pojava elektromagnetnog talasa.
Dakle, kada nabijena čestica uleti u materiju, ona usporava, gubi energiju i brzinu i emituje elektromagnetne valove.
Spektralna svojstva rendgenskog kočnog zračenja .
Dakle, u slučaju usporavanja elektrona u anodnoj materiji, kočiono zračenje.
Spektar kočnog zračenja je kontinuiran. Razlog za to je sljedeći.
Kada se elektroni usporavaju, svaki od njih ima dio energije koji se koristi za zagrijavanje anode (E 1 = Q), drugi dio za stvaranje rendgenskog fotona (E 2 = hv), u suprotnom, eU = hv + Q. omjer između ovih dijelova je slučajan.
Dakle, kontinuirani spektar rendgenskog kočnog zračenja nastaje zbog usporavanja velikog broja elektrona, od kojih svaki emituje jedan rendgenski kvantni hv (h) strogo određene vrijednosti. Vrijednost ovog kvanta različito za različite elektrone. Zavisnost fluksa energije rendgenskih zraka od talasne dužine , tj. rendgenski spektar je prikazan na sl.2.
Fig.2. Spektar kočnog zračenja: a) pri različitim naponima U u cijevi; b) na različitim temperaturama T katode.
Kratkotalasno (tvrdo) zračenje ima veću prodornu moć od dugotalasnog (mekog) zračenja. Meko zračenje materija jače apsorbuje.
Sa strane kratkih talasnih dužina, spektar se naglo završava na određenoj talasnoj dužini m i n . Takvo kočno zračenje kratkotalasne dužine nastaje kada se energija koju je stekao elektron u polju ubrzanja u potpunosti pretvori u energiju fotona (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (nm) = 1,23/UkV
Spektralni sastav zračenja zavisi od napona na rendgenskoj cevi, a sa povećanjem napona, vrednost m i n se pomera prema kratkim talasnim dužinama (slika 2a).
Kada se temperatura T usijanja katode promijeni, povećava se emisija elektrona. Posljedično, struja I u cijevi raste, ali se spektralni sastav zračenja ne mijenja (slika 2b).
Tok energije F kočnog zračenja direktno je proporcionalan kvadratu napona U između anode i katode, jačini struje I u cijevi i atomskom broju Z anodne tvari:
F = kZU 2 I. (3)
gdje je k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
Karakteristični rendgenski zraci (za upoznavanje).
Povećanje napona na rendgenskoj cijevi dovodi do činjenice da se na pozadini kontinuiranog spektra pojavljuje linija, koja odgovara karakterističnom rendgenskom zračenju. Ovo zračenje je specifično za materijal anode.
Mehanizam njegovog nastanka je sljedeći. Na visokom naponu, ubrzani elektroni (sa velikom energijom) prodiru duboko u atom i izbacuju elektrone iz njegovih unutrašnjih slojeva. Elektroni sa gornjih nivoa prelaze na slobodna mesta, usled čega se emituju fotoni karakterističnog zračenja.
Spektri karakterističnog rendgenskog zračenja razlikuju se od optičkih spektra.
- Ujednačenost.
Ujednačenost karakterističnih spektra je zbog činjenice da su unutrašnji elektronski slojevi različitih atoma isti i da se razlikuju samo energetski zbog djelovanja sile iz jezgara, koje raste s povećanjem elementarnog broja. Stoga se karakteristični spektri pomiču prema višim frekvencijama s povećanjem nuklearnog naboja. To je eksperimentalno potvrdio zaposlenik Roentgena - Moseley, koji je izmjerio prelazne frekvencije rendgenskih zraka za 33 elementa. Oni su napravili zakon.
MOSELYJEV ZAKON – kvadratni korijen frekvencije karakterističnog zračenja je linearna funkcija rednog broja elementa:
= A (Z - B), (4)
gdje je v frekvencija spektralne linije, Z je atomski broj elementa koji emituje. A, B su konstante.
Važnost Moseleyjevog zakona leži u činjenici da se ova zavisnost može koristiti za precizno određivanje atomskog broja elementa koji se proučava iz izmjerene frekvencije rendgenske linije. Ovo je odigralo veliku ulogu u postavljanju elemenata u periodnom sistemu.
Nezavisnost od hemijskog jedinjenja.
Karakteristični rendgenski spektri atoma ne zavise od hemijskog spoja u koji je atom elementa uključen. Na primjer, rendgenski spektar atoma kisika je isti za O 2, H 2 O, dok se optički spektri ovih spojeva razlikuju. Ova karakteristika rendgenskog spektra atoma bila je osnova za naziv " karakteristično zračenje".
Interakcija rendgenskog zračenja sa materijom
Uticaj rendgenskog zračenja na objekte određen je primarnim procesima interakcije rendgenskih zraka. fotona sa elektronima atoma i molekula materije.
Rentgensko zračenje u materiji apsorbuje ili raspršuje se. U tom slučaju mogu nastati različiti procesi koji su određeni odnosom energije fotona rendgenskih zraka hv i energije jonizacije Au (energija jonizacije Au je energija potrebna za uklanjanje unutrašnjih elektrona iz atoma ili molekula).
a) Koherentno rasipanje(rasejanje dugotalasnog zračenja) nastaje kada je relacija
Za fotone se zbog interakcije s elektronima mijenja samo smjer kretanja (slika 3a), ali se energija hv i valna dužina ne mijenjaju (stoga se ovo raspršenje naziva koherentan). Kako se energije fotona i atoma ne mijenjaju, koherentno rasipanje ne utiče na biološke objekte, ali pri stvaranju zaštite od rendgenskog zračenja treba uzeti u obzir mogućnost promjene primarnog smjera snopa.
b) fotoelektrični efekat dešava kada
U ovom slučaju mogu se realizovati dva slučaja.
Foton se apsorbuje, elektron se odvaja od atoma (slika 3b). Dolazi do jonizacije. Odijeljeni elektron stječe kinetičku energiju: E k = hv - A i. Ako je kinetička energija velika, elektron može ionizirati susjedne atome sudarom, formirajući nove. sekundarno elektrona.
Foton se apsorbuje, ali njegova energija nije dovoljna da odvoji elektron, i ekscitacija atoma ili molekula(Sl. 3c). To često dovodi do naknadne emisije fotona u području vidljivog zračenja (rendgenska luminiscencija), au tkivima do aktivacije molekula i fotokemijskih reakcija. Fotoelektrični efekat se javlja uglavnom na elektronima unutrašnjih omotača atoma sa visokim Z.
u) Nekoherentno rasipanje(Comptonov efekat, 1922) nastaje kada je energija fotona mnogo veća od energije ionizacije
U ovom slučaju, elektron se odvaja od atoma (takvi elektroni se nazivaju povratnih elektrona), dobije neku kinetičku energiju E k, energija samog fotona se smanjuje (slika 4d):
hv=hv" + A i + E k. (5)
Rezultirajuće zračenje promijenjene frekvencije (dužine) naziva se sekundarno, raspršuje se u svim smjerovima.
Elektroni trzanja, ako imaju dovoljnu kinetičku energiju, mogu ionizirati susjedne atome sudarom. Dakle, kao rezultat nekoherentnog raspršenja, nastaje sekundarno raspršeno rendgensko zračenje i atomi tvari se ioniziraju.
Ovi (a, b, c) procesi mogu uzrokovati niz naknadnih. Na primjer (slika 3d), ako se tokom fotoelektričnog efekta elektroni odvoje od atoma na unutrašnjim omotačima, tada na njihovo mjesto mogu proći elektroni sa viših nivoa, što je praćeno sekundarnim karakterističnim rendgenskim zračenjem ove supstance. Fotoni sekundarnog zračenja, u interakciji s elektronima susjednih atoma, mogu, zauzvrat, uzrokovati sekundarne pojave.
koherentno rasipanje
uh 
energija i talasna dužina ostaju nepromenjene
fotoelektrični efekat
foton se apsorbuje, e - odvaja se od atoma - jonizacija
hv \u003d A i + E do
atom A je pobuđen pri apsorpciji fotona, R je rendgenska luminiscencija
nekoherentno rasipanje
hv \u003d hv "+ A i + E do
sekundarni procesi u fotoelektričnom efektu
Rice. 3 Mehanizmi interakcije rendgenskih zraka sa materijom
Fizičke osnove za upotrebu rendgenskih zraka u medicini
Kada rendgenske zrake padnu na tijelo, ono se blago odbija od njegove površine, ali uglavnom prolazi duboko u, dok se djelimično apsorbira i raspršuje, a djelimično prolazi.
Zakon slabljenja.
Fluks rendgenskih zraka se u materiji slabi prema zakonu:
F \u003d F 0 e - x (6)
gdje je linearan faktor slabljenja,što suštinski zavisi od gustine supstance. Jednaka je zbiru tri člana koji odgovaraju koherentnom rasejanju 1, nekoherentnom 2 i fotoelektričnom efektu 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Doprinos svakog člana je određen energijom fotona. Ispod su omjeri ovih procesa za meka tkiva (voda).
|
Energija, keV |
fotoelektrični efekat |
Compton - efekat |
uživaj koeficijent prigušenja mase,što ne zavisi od gustine supstance :
m = /. (osam)
Koeficijent prigušenja mase ovisi o energiji fotona i atomskom broju tvari koja apsorbira:
m = k 3 Z 3 . (9)
Koeficijenti atenuacije mase kostiju i mekog tkiva (vode) su različiti: m kosti / m vode = 68.
Ako se nehomogeno tijelo postavi na putanju rendgenskih zraka, a ispred njega se postavi fluorescentni ekran, tada ovo tijelo, apsorbirajući i prigušujući zračenje, formira sjenu na ekranu. Po prirodi ove sjene može se suditi o obliku, gustoći, strukturi iu mnogim slučajevima o prirodi tijela. One. značajna razlika u apsorpciji rendgenskog zračenja od strane različitih tkiva omogućava vam da vidite sliku unutrašnjih organa u projekciji sjene.
Ako organ koji se proučava i okolna tkiva podjednako prigušuju rendgenske zrake, tada se koriste kontrastna sredstva. Tako, na primjer, puneći želudac i crijeva kašastom masom barijum sulfata (BaSO 4 ), može se vidjeti njihova sjena (odnos koeficijenata slabljenja je 354).
Upotreba u medicini.
U medicini se za dijagnostiku koristi rendgensko zračenje sa energijom fotona od 60 do 100-120 keV, a za terapiju 150-200 keV.
Rentgenska dijagnostika – Prepoznavanje bolesti transiluminacijom tijela rendgenskim zracima.
Rentgenska dijagnostika se koristi u različitim opcijama, koje su date u nastavku.
Sa fluoroskopijom rendgenska cijev se nalazi iza pacijenta. Ispred njega je fluorescentni ekran. Na ekranu se nalazi senka (pozitivna) slika. U svakom pojedinačnom slučaju odabire se odgovarajuća tvrdoća zračenja tako da ono prolazi kroz meka tkiva, ali se dovoljno apsorbira od gustih. Inače se dobija ujednačena senka. Na ekranu su srce, rebra vidljivi tamni, pluća svetla.
Kada radiografija predmet se postavlja na kasetu, koja sadrži film sa posebnom fotografskom emulzijom. Rendgenska cijev se postavlja preko objekta. Dobijeni radiograf daje negativnu sliku, tj. suprotno za razliku od slike posmatrane tokom transiluminacije. U ovoj metodi postoji veća jasnoća slike nego u (1), stoga se uočavaju detalji koji se teško uočavaju pri transluminaciji.
Obećavajuća varijanta ove metode je rendgensko snimanje tomografija i "mašinska verzija" - kompjuter tomografija.
3. Uz fluoroskopiju, Na osjetljivom filmu malog formata slika sa velikog ekrana je fiksirana. Kada se gledaju, slike se pregledavaju na posebnom povećalu.
Rentgenska terapija- upotreba rendgenskih zraka za uništavanje malignih tumora.
Biološki efekat zračenja je da poremeti vitalnu aktivnost, posebno ćelije koje se brzo razmnožavaju.
KOMPJUTERSKA TOMOGRAFIJA (CT)
Metoda rendgenske kompjuterizovane tomografije zasniva se na rekonstrukciji slike određenog dela tela pacijenta registrovanjem velikog broja rendgenskih projekcija ovog preseka, napravljenih pod različitim uglovima. Informacije sa senzora koji registruju ove projekcije ulaze u kompjuter, koji prema posebnom programu izračunava distribucija čvrstoveličina uzorka u istraženom dijelu i prikazuje ga na ekranu. Ovako dobijena slika dijela tijela pacijenta odlikuje se odličnom jasnoćom i visokim sadržajem informacija. Program vam omogućava da povećati kontrast slike in desetine pa čak i stotine puta. Ovo proširuje dijagnostičke mogućnosti metode.
Videografi (uređaji sa digitalnom obradom rendgenske slike) u savremenoj stomatologiji.
U stomatologiji rendgenski pregled je glavna dijagnostička metoda. Međutim, brojne tradicionalne organizacijske i tehničke karakteristike rendgenske dijagnostike čine je neudobnom kako za pacijente tako i za stomatološke ordinacije. To je, prije svega, potreba da pacijent dođe u kontakt sa jonizujućim zračenjem, koje često stvara značajno opterećenje zračenjem na tijelu, to je i potreba za fotoprocesom, a samim tim i potreba za fotoreagensima, uključujući otrovne. Ovo je, konačno, glomazna arhiva, teški fascikli i koverte sa rendgenskim filmovima.
Osim toga, sadašnji nivo razvoja stomatologije čini subjektivnu procjenu rendgenskih snimaka ljudskim okom nedovoljnom. Kako se ispostavilo, od mnoštva nijansi sive koje se nalaze na rendgenskoj slici, oko percipira samo 64.
Očigledno, da bi se dobila jasna i detaljna slika tvrdih tkiva dentoalveolarnog sistema uz minimalno izlaganje zračenju, potrebna su druga rješenja. Potraga je dovela do stvaranja takozvanih radiografskih sistema, videografi - digitalni radiografski sistemi.
Bez tehničkih detalja, princip rada ovakvih sistema je sljedeći. Rentgensko zračenje ulazi kroz objekat ne na fotoosjetljivi film, već na poseban intraoralni senzor (posebna elektronska matrica). Odgovarajući signal sa matrice prenosi se na uređaj za digitalizaciju (analogno-digitalni pretvarač, ADC) koji ga pretvara u digitalni oblik i povezuje se na računar. Specijalni softver pravi rendgensku sliku na ekranu računara i omogućava vam da je obradite, sačuvate na tvrdom ili fleksibilnom medijumu za skladištenje (tvrdi disk, diskete), odštampate je kao sliku kao datoteku.
U digitalnom sistemu, rendgenska slika je skup tačaka koje imaju različite digitalne vrijednosti sivih tonova. Optimizacija prikaza informacija koju pruža program omogućava postizanje optimalnog okvira u smislu svjetline i kontrasta pri relativno niskoj dozi zračenja.
U modernim sistemima, koje su kreirali, na primjer, Trophy (Francuska) ili Schick (SAD), koristi se 4096 nijansi sive pri formiranju okvira, vrijeme ekspozicije ovisi o objektu proučavanja i u prosjeku je stotinke - desetine drugo, smanjenje izloženosti zračenju u odnosu na film - do 90% za intraoralne sisteme, do 70% za panoramske snimatelje.
Prilikom obrade slika, videografi dozvoljavaju:
Dobijte pozitivne i negativne slike, slike lažnih boja, reljefne slike.
Povećajte kontrast i povećajte područje od interesa na slici.
Procijeniti promjene u gustoći zubnih tkiva i koštanih struktura, kontrolirati ujednačenost punjenja kanala.
U endodonciji odrediti dužinu kanala bilo koje zakrivljenosti, a u kirurgiji odabrati veličinu implantata s točnošću od 0,1 mm.
Jedinstveni sistem detektora karijesa sa elementima veštačke inteligencije tokom analize slike omogućava vam da detektujete karijes u fazi mrlje, karijes korena i skriveni karijes.
"F" u formuli (3) se odnosi na cijeli raspon izračenih valnih dužina i često se naziva "integralni energetski tok".
Otkriće i zasluga u proučavanju osnovnih svojstava rendgenskih zraka s pravom pripada njemačkom naučniku Wilhelmu Conradu Roentgenu. Zadivljujuća svojstva rendgenskih zraka koje je otkrio odmah su dobila ogroman odjek u naučnom svijetu. Iako je tada, davne 1895. godine, naučnik teško mogao zamisliti kakvu korist, a ponekad i štetu, rendgenski zraci mogu donijeti.
Otkrijmo u ovom članku kako ova vrsta zračenja utječe na ljudsko zdravlje.
Šta je rendgensko zračenje
Prvo pitanje koje je zanimalo istraživača bilo je šta je rendgensko zračenje? Brojni eksperimenti omogućili su da se potvrdi da se radi o elektromagnetskom zračenju s valnom dužinom od 10 -8 cm, koje zauzima srednji položaj između ultraljubičastog i gama zračenja.
Primena rendgenskih zraka
Svi ovi aspekti destruktivnih efekata tajanstvenih rendgenskih zraka uopće ne isključuju iznenađujuće opsežne aspekte njihove primjene. Gdje se koriste rendgenski zraci?
- Proučavanje strukture molekula i kristala.
- Rentgenska detekcija grešaka (u industriji, otkrivanje nedostataka u proizvodima).
- Metode medicinskog istraživanja i terapije.
Najvažnije primjene rendgenskih zraka postale su moguće zahvaljujući vrlo kratkim valnim dužinama cijelog raspona ovih valova i njihovim jedinstvenim svojstvima.
Budući da nas zanima utjecaj rendgenskog zračenja na ljude koji se s njim susreću samo prilikom medicinskog pregleda ili liječenja, onda ćemo razmotriti samo ovo područje primjene rendgenskih zraka.
Upotreba rendgenskih zraka u medicini
Unatoč posebnom značaju svog otkrića, Rentgen nije patentirao njegovu upotrebu, što ga čini neprocjenjivim poklonom za cijelo čovječanstvo. Već u Prvom svjetskom ratu počele su se koristiti rendgenske jedinice koje su omogućile brzo i precizno dijagnosticiranje ranjenika. Sada možemo razlikovati dva glavna područja primjene rendgenskih zraka u medicini:
- rendgenska dijagnostika;
- rendgenska terapija.
Rentgenska dijagnostika
Rentgenska dijagnostika se koristi u različitim opcijama:
Pogledajmo razliku između ovih metoda.
Sve ove dijagnostičke metode zasnivaju se na sposobnosti rendgenskih zraka da osvjetljavaju film i na njihovoj različitoj propusnosti za tkiva i koštani skelet.
Rentgenska terapija
Sposobnost rendgenskih zraka da imaju biološki učinak na tkiva koristi se u medicini za liječenje tumora. Jonizujući učinak ovog zračenja najaktivnije se očituje u djelovanju na stanice koje se brzo dijele, a to su stanice malignih tumora.
Međutim, trebali biste biti svjesni i nuspojava koje neizbježno prate radioterapiju. Činjenica je da se ćelije hematopoetskog, endokrinog i imunološkog sistema takođe brzo dijele. Negativan utjecaj na njih dovodi do znakova radijacijske bolesti.
Utjecaj rendgenskog zračenja na ljude
Ubrzo nakon izvanrednog otkrića rendgenskih zraka, otkriveno je da rendgenski zraci djeluju na ljude.
Ovi podaci su dobiveni u eksperimentima na eksperimentalnim životinjama, međutim, genetičari sugeriraju da se slični efekti mogu primijeniti i na ljudsko tijelo.
Proučavanje efekata izlaganja rendgenskim zracima dovelo je do razvoja međunarodnih standarda za prihvatljive doze zračenja.
Doze rendgenskog zračenja u rendgenskoj dijagnostici
Nakon posjete rendgenskoj sali, mnogi pacijenti su zabrinuti - kako će primljena doza zračenja utjecati na njihovo zdravlje?
Doza općeg zračenja tijela ovisi o prirodi postupka. Radi praktičnosti, usporedit ćemo primljenu dozu s prirodnom izloženošću, koja prati osobu tijekom cijelog života.
- Rendgen: grudni koš - primljena doza zračenja je ekvivalentna 10 dana pozadinskog izlaganja; gornji dio želuca i tankog crijeva - 3 godine.
- Kompjuterska tomografija trbušne šupljine i karlice, kao i cijelog tijela - 3 godine.
- Mamografija - 3 mjeseca.
- Radiografija ekstremiteta je praktično bezopasna.
- Što se tiče rendgenskih zraka zuba, doza zračenja je minimalna, budući da je pacijent izložen uskom snopu rendgenskih zraka s kratkim trajanjem zračenja.
Ove doze zračenja zadovoljavaju prihvatljive standarde, ali ako pacijent osjeća anksioznost prije rendgenskog snimanja, ima pravo zatražiti posebnu zaštitnu pregaču.
Izlaganje rendgenskim zracima trudnica
Svaka osoba mora se više puta podvrgnuti rendgenskom pregledu. Ali postoji pravilo - ova dijagnostička metoda ne može se prepisivati trudnicama. Embrion u razvoju je izuzetno ranjiv. X-zrake mogu uzrokovati hromozomske abnormalnosti i, kao rezultat, rađanje djece s malformacijama. Najranjivija u tom pogledu je gestacijska dob do 16 sedmica. Štaviše, najopasniji za buduću bebu je rendgenski snimak kičme, karlice i trbušne regije.
Znajući za štetan uticaj rendgenskih zraka na trudnoću, lekari izbegavaju da ga koriste na sve moguće načine tokom ovog ključnog perioda u životu žene.
Međutim, postoje sporedni izvori rendgenskih zraka:
- elektronski mikroskopi;
- TV kineskopi u boji itd.
Buduće majke treba da budu svjesne opasnosti koju predstavljaju.
Za dojilje radiodijagnostika nije opasna.
Šta učiniti nakon rendgenskog snimka
Da biste izbjegli čak i minimalne efekte izlaganja rendgenskim zracima, možete poduzeti nekoliko jednostavnih koraka:
- nakon rendgenskog snimanja, popijte čašu mlijeka - uklanja male doze zračenja;
- vrlo zgodno uzeti čašu suhog vina ili soka od grožđa;
- neko vrijeme nakon zahvata korisno je povećati udio hrane s visokim sadržajem joda (morski plodovi).
Ali, nisu potrebne nikakve medicinske procedure ili posebne mjere za uklanjanje zračenja nakon rendgenskog snimanja!
Unatoč nesumnjivo ozbiljnim posljedicama izlaganja rendgenskim zracima, ne treba precijeniti njihovu opasnost tokom medicinskih pregleda – oni se provode samo u određenim dijelovima tijela i to vrlo brzo. Njihova korist mnogo puta premašuje rizik od ovog postupka za ljudski organizam.
Rendgensko zračenje (sinonim za X-zrake) je širokog raspona talasnih dužina (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). Rendgensko zračenje nastaje kada se nabijene čestice, najčešće elektroni, usporavaju u električnom polju atoma tvari. Rezultirajući kvanti imaju različite energije i formiraju kontinuirani spektar. Maksimalna energija fotona u takvom spektru jednaka je energiji upadnih elektrona. U (vidi) maksimalna energija rendgenskih kvanta, izražena u kiloelektron-voltima, numerički je jednaka veličini napona primijenjenog na cijev, izražena u kilovoltima. Kada prolaze kroz supstancu, X-zrake stupaju u interakciju s elektronima njenih atoma. Za kvante X-zraka sa energijama do 100 keV, najkarakterističniji tip interakcije je fotoelektrični efekat. Kao rezultat takve interakcije, kvantna energija se u potpunosti troši na izvlačenje elektrona iz atomskog omotača i prenošenje kinetičke energije na njega. Sa povećanjem energije rendgenskog kvanta, vjerovatnoća fotoelektričnog efekta se smanjuje i proces raspršivanja kvanta na slobodnim elektronima, tzv. Comptonov efekat, postaje dominantan. Kao rezultat takve interakcije nastaje i sekundarni elektron, a osim toga, kvant izleti s energijom manjom od energije primarnog kvanta. Ako energija rendgenskog kvanta prelazi jedan megaelektron-volt, može doći do takozvanog efekta uparivanja, u kojem se formiraju elektron i pozitron (vidi). Posljedično, pri prolasku kroz supstancu, energija rendgenskog zračenja se smanjuje, odnosno smanjuje se njegov intenzitet. Budući da je u ovom slučaju veća vjerovatnoća da će se kvanti niske energije apsorbirati, rendgensko zračenje je obogaćeno kvantima veće energije. Ovo svojstvo rendgenskog zračenja koristi se za povećanje prosječne energije kvanta, odnosno za povećanje njegove krutosti. Povećanje tvrdoće rendgenskog zračenja postiže se pomoću posebnih filtera (vidi). X-zrake se koriste za rendgensku dijagnostiku (vidi) i (vidi). Vidi i jonizujuće zračenje.
Rentgensko zračenje (sinonim: x-zrake, x-zrake) - kvantno elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 250 do 0,025 A (ili kvanti energije od 5 10 -2 do 5 10 2 keV). Godine 1895. otkrio ga je V.K. Roentgen. Spektralno područje elektromagnetnog zračenja u blizini rendgenskih zraka, čiji kvanti energije prelaze 500 keV, naziva se gama zračenje (vidi); zračenje, čiji su kvanti energije ispod 0,05 keV, je ultraljubičasto zračenje (vidi).
Dakle, predstavljajući relativno mali dio ogromnog spektra elektromagnetnog zračenja, koji uključuje i radio valove i vidljivu svjetlost, rendgensko zračenje, kao i svako elektromagnetno zračenje, širi se brzinom svjetlosti (oko 300 hiljada km/s u vakuumu). ) i karakteriše ga talasna dužina λ (razdaljina preko koje se zračenje širi u jednom periodu oscilovanja). Rentgensko zračenje ima i niz drugih valnih svojstava (prelamanje, interferencija, difrakcija), ali ih je mnogo teže uočiti nego za zračenje duže talasne dužine: vidljiva svjetlost, radio valovi.
Spektri X zraka: a1 - kontinuirani spektar kočnog zračenja na 310 kV; a - kontinuirani spektar kočnog zračenja na 250 kV, a1 - spektar filtriran sa 1 mm Cu, a2 - spektar filtriran sa 2 mm Cu, b - K-serija volframove linije.
Za generiranje rendgenskih zraka koriste se rendgenske cijevi (vidi), u kojima se zračenje javlja kada brzi elektroni interaguju s atomima anodne tvari. Postoje dvije vrste rendgenskih zraka: kočni i karakteristični. Rendgensko zračenje kočnog zračenja, koje ima kontinuirani spektar, slično je običnoj bijeloj svjetlosti. Distribucija intenziteta u zavisnosti od talasne dužine (Sl.) je predstavljena krivom sa maksimumom; u smjeru dugih valova kriva lagano pada, au smjeru kratkih valova strmo i lomi se na određenoj valnoj dužini (λ0), koja se naziva kratkovalna granica kontinuiranog spektra. Vrijednost λ0 je obrnuto proporcionalna naponu na cijevi. Kočno zračenje nastaje interakcijom brzih elektrona sa atomskim jezgrama. Intenzitet kočnog zračenja je direktno proporcionalan jačini anodne struje, kvadratu napona cijevi i atomskom broju (Z) materijala anode.
Ako energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi premašuje kritičnu vrijednost za anodnu tvar (ova energija je određena naponom cijevi Vcr, koji je kritičan za ovu tvar), tada se javlja karakteristično zračenje. Karakteristični spektar je linija, njene spektralne linije čine niz, označen slovima K, L, M, N.
K serija je najkraća talasna dužina, L serija je duža talasna dužina, M i N serije se primećuju samo u teškim elementima (Vcr volframa za K-seriju je 69,3 kv, za L-seriju - 12,1 kv). Karakteristično zračenje nastaje na sljedeći način. Brzi elektroni izbijaju atomske elektrone iz unutrašnjih omotača. Atom se pobuđuje, a zatim se vraća u osnovno stanje. U ovom slučaju, elektroni iz vanjskih, manje vezanih ljuski ispunjavaju prostore koji su ispražnjeni u unutrašnjim ljuskama, a emituju se fotoni karakterističnog zračenja s energijom koja je jednaka razlici između energija atoma u pobuđenom i osnovnom stanju. Ova razlika (a time i energija fotona) ima određenu vrijednost, karakterističnu za svaki element. Ovaj fenomen leži u osnovi rendgenske spektralne analize elemenata. Slika prikazuje linijski spektar volframa na pozadini kontinuiranog spektra kočnog zračenja.
Energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi gotovo u potpunosti se pretvara u toplinsku energiju (anoda se u ovom slučaju jako zagrijava), samo se neznatan dio (oko 1% na naponu blizu 100 kV) pretvara u energiju kočnog zraka. .
Upotreba rendgenskih zraka u medicini zasniva se na zakonima apsorpcije rendgenskih zraka materijom. Apsorpcija rendgenskih zraka potpuno je nezavisna od optičkih svojstava materijala apsorbera. Bezbojno i prozirno olovno staklo koje se koristi za zaštitu osoblja u rendgen sobama gotovo u potpunosti apsorbira rendgenske zrake. Nasuprot tome, list papira koji nije proziran za svjetlost ne slabi rendgenske zrake.
Intenzitet homogenog (tj. određene valne dužine) rendgenskog snopa, kada prolazi kroz sloj apsorbera, opada prema eksponencijalnom zakonu (e-x), gdje je e baza prirodnih logaritama (2,718), a eksponent x jednak je proizvodu masenog koeficijenta slabljenja (μ / p) cm 2 /g po debljini apsorbera u g / cm 2 (ovdje je p gustina tvari u g / cm 3). X-zrake se prigušuju i rasejanjem i apsorpcijom. Prema tome, koeficijent prigušenja mase je zbir koeficijenata apsorpcije mase i koeficijenata raspršenja. Maseni koeficijent apsorpcije naglo raste sa povećanjem atomskog broja (Z) apsorbera (proporcionalno Z3 ili Z5) i sa povećanjem talasne dužine (proporcionalno λ3). Ova zavisnost od talasne dužine primećuje se unutar apsorpcionih opsega, na čijim granicama koeficijent skače.
Koeficijent raspršenja mase raste s povećanjem atomskog broja tvari. Za λ≥0,3Å koeficijent rasejanja ne zavisi od talasne dužine, za λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Smanjenje koeficijenata apsorpcije i raspršenja sa smanjenjem talasne dužine uzrokuje povećanje prodorne moći rendgenskih zraka. Koeficijent apsorpcije mase za kosti [apsorpcija je uglavnom zbog Ca 3 (PO 4) 2 ] je skoro 70 puta veći nego za meka tkiva, gdje je apsorpcija uglavnom zbog vode. Ovo objašnjava zašto se senka kostiju tako oštro ističe na rendgenskim snimcima na pozadini mekih tkiva.
Širenje nehomogenog snopa rendgenskih zraka kroz bilo koji medij, zajedno sa smanjenjem intenziteta, praćeno je promjenom spektralnog sastava, promjenom kvalitete zračenja: dugovalni dio spektra se apsorbira do u većoj meri od kratkotalasnog dela, zračenje postaje ujednačenije. Filtriranjem dugovalnog dijela spektra moguće je poboljšati odnos između dubokih i površinskih doza tokom rendgenske terapije žarišta lociranih duboko u ljudskom tijelu (vidi rendgenski filteri). Da bi se okarakterizirao kvalitet nehomogenog snopa rendgenskih zraka, koristi se koncept "polu slabijeg sloja (L)" - sloja tvari koji slabi zračenje za pola. Debljina ovog sloja zavisi od napona na cevi, debljine i materijala filtera. Celofan (do energije od 12 keV), aluminijum (20–100 keV), bakar (60–300 keV), olovo i bakar (>300 keV) koriste se za merenje polovina slabljenja slojeva. Za X-zrake generisane na naponima od 80-120 kV, 1 mm bakra je ekvivalentan kapacitetu filtriranja 26 mm aluminijuma, 1 mm olova je ekvivalentan 50,9 mm aluminijuma.
Apsorpcija i rasipanje rendgenskih zraka je zbog njegovih korpuskularnih svojstava; X-zrake stupaju u interakciju s atomima kao tok korpukula (čestica) - fotona, od kojih svaki ima određenu energiju (obrnuto proporcionalnu valnoj dužini X zraka). Opseg energije rendgenskih fotona je 0,05-500 keV.
Apsorpcija rendgenskog zračenja je posljedica fotoelektričnog efekta: apsorpcija fotona od strane elektronske ljuske praćena je izbacivanjem elektrona. Atom je uzbuđen i, vraćajući se u osnovno stanje, emituje karakteristično zračenje. Emitirani fotoelektron nosi svu energiju fotona (minus energija vezanja elektrona u atomu).
Rasipanje rendgenskih zraka nastaje zbog elektrona medija za raspršivanje. Pravi se razlika između klasičnog raspršenja (valna dužina zračenja se ne mijenja, ali se mijenja smjer širenja) i raspršenja s promjenom valne dužine - Comptonov efekat (valna dužina raspršenog zračenja je veća od one upadnog zračenja ). U potonjem slučaju, foton se ponaša kao lopta koja se kreće, a do raspršivanja fotona dolazi, prema figurativnom izrazu Comntona, poput igranja bilijara s fotonima i elektronima: sudarajući se s elektronom, foton prenosi dio svoje energije na njega. i raspršuje se, imajući već manju energiju (odnosno, talasna dužina raspršenog zračenja se povećava), elektron izleti iz atoma sa energijom trzaja (ovi elektroni se nazivaju Compton elektroni, ili elektroni trzanja). Apsorpcija energije rendgenskih zraka nastaje prilikom formiranja sekundarnih elektrona (Compton i fotoelektrona) i prijenosa energije na njih. Energija rendgenskih zraka prenesena na jedinicu mase tvari određuje apsorbiranu dozu rendgenskih zraka. Jedinica ove doze 1 rad odgovara 100 erg/g. Zbog apsorbirane energije u tvari apsorbera dolazi do niza sekundarnih procesa koji su važni za rendgensku dozimetriju, jer se upravo na njima zasnivaju metode mjerenja rendgenskih zraka. (vidi dozimetriju).
Svi plinovi i mnoge tekućine, poluvodiči i dielektrici pod djelovanjem rendgenskih zraka povećavaju električnu provodljivost. Provodljivost se postiže najboljim izolacijskim materijalima: parafin, liskun, guma, ćilibar. Promjena provodljivosti je posljedica jonizacije medija, tj. razdvajanja neutralnih molekula na pozitivne i negativne ione (jonizaciju proizvode sekundarni elektroni). Ionizacija u zraku se koristi za određivanje doze izloženosti rendgenskom zračenju (doze u zraku), koja se mjeri u rendgenima (vidi Doze jonizujućeg zračenja). Pri dozi od 1 r, apsorbirana doza u zraku je 0,88 rad.
Pod dejstvom rendgenskih zraka, kao rezultat ekscitacije molekula supstance (i tokom rekombinacije jona), u mnogim slučajevima se pobuđuje vidljivi sjaj supstance. Pri visokim intenzitetima rendgenskog zračenja uočava se vidljivi sjaj zraka, papira, parafina itd. (izuzetak su metali). Najveći prinos vidljive svjetlosti daju takvi kristalni fosfori kao što su Zn·CdS·Ag-fosfor i drugi koji se koriste za ekrane u fluoroskopiji.
Pod dejstvom rendgenskih zraka u supstanci se mogu odvijati i različiti hemijski procesi: razgradnja srebrnih halogenida (fotografski efekat koji se koristi u rendgenskim zracima), razgradnja vode i vodenih rastvora vodikovog peroksida, promena u svojstva celuloida (zamućenje i oslobađanje kamfora), parafina (zamućenje i izbjeljivanje) .
Kao rezultat potpune konverzije, sva energija rendgenskih zraka koju apsorbira kemijski inertna supstanca pretvara se u toplinu. Mjerenje vrlo malih količina topline zahtijeva visoko osjetljive metode, ali je glavna metoda za apsolutna mjerenja rendgenskih zraka.
Sekundarni biološki efekti izlaganja rendgenskim zracima su osnova medicinske radioterapije (vidi). X-zrake, čiji su kvanti 6-16 keV (efikasne talasne dužine od 2 do 5 Å), gotovo u potpunosti apsorbuju kožni integument tkiva ljudskog tela; nazivaju se graničnim zracima, ili ponekad Bucca zracima (vidi Bucca zraci). Za dubinsku rendgensku terapiju koristi se tvrdo filtrirano zračenje sa efektivnim energetskim kvantima od 100 do 300 keV.
Biološki učinak rendgenskog zračenja treba uzeti u obzir ne samo u rendgenskoj terapiji, već iu rendgenskoj dijagnostici, kao i u svim drugim slučajevima kontakta sa rendgenskim zracima koji zahtijevaju korištenje zaštite od zračenja ( vidi).
RTG ZRAČENJE
nevidljivo zračenje sposobno da prodre, iako u različitom stepenu, u sve supstance. To je elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od oko 10-8 cm.Kao i vidljiva svetlost, rendgenski zraci izazivaju zacrnjenje fotografskog filma. Ova nekretnina je od velikog značaja za medicinu, industriju i naučna istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na film, rendgensko zračenje oslikava njegovu unutrašnju strukturu na njemu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni daju svjetlije površine na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čine kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti biti označene kao svjetlije površine, a mjesto prijeloma, koje je transparentnije za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rendgensko snimanje se također koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao i u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumama. X-zrake se koriste u hemiji za analizu jedinjenja i u fizici za proučavanje strukture kristala. Rendgenski snop koji prolazi kroz hemijsko jedinjenje izaziva karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućava hemičaru da odredi sastav jedinjenja. Prilikom pada na kristalnu tvar, snop rendgenskih zraka se raspršuje od strane atoma kristala, dajući jasan, pravilan uzorak mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućava utvrđivanje unutrašnje strukture kristala. Upotreba rendgenskih zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ubija ćelije raka. Međutim, može imati i nepoželjan učinak na normalne stanice. Stoga se pri ovoj upotrebi rendgenskih zraka mora biti izuzetno oprezan. Rentgensko zračenje otkrio je njemački fizičar W. Roentgen (1845-1923). Njegovo ime je ovjekovječeno u nekim drugim fizičkim terminima povezanim s ovim zračenjem: međunarodna jedinica doze jonizujućeg zračenja zove se rendgen; slika napravljena rendgenskim aparatom naziva se radiografija; Područje radiološke medicine koje koristi rendgenske zrake za dijagnosticiranje i liječenje bolesti naziva se radiologija. Roentgen je otkrio radijaciju 1895. dok je bio profesor fizike na Univerzitetu u Würzburgu. Provodeći eksperimente s katodnim zracima (elektroni teku u cijevima za pražnjenje), primijetio je da ekran koji se nalazi u blizini vakuumske cijevi, prekriven kristalnim barij cijanoplatinitom, sjajno svijetli, iako je sama cijev prekrivena crnim kartonom. Rentgen je dalje ustanovio da moć prodiranja nepoznatih zraka koje je otkrio, a koje je nazvao X-zrakama, zavisi od sastava materijala koji apsorbuje. Takođe je snimio kosti svoje ruke tako što je postavio između cevi za izbacivanje katodnih zraka i ekrana obloženog barijum cijanoplatinitom. Otkriće Rentgena pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i mogućnosti za primjenu ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskih zraka prilikom njihovog prolaska kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Braggy, koji su 1915. dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova analize difrakcije rendgenskih zraka.
DOBIJANJE RTG ZRAČENJA
Rendgensko zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikom brzinom stupaju u interakciju s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, oni brzo gube svoju kinetičku energiju. U ovom slučaju, većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manje od 1%, pretvara se u energiju rendgenskih zraka. Ova energija se oslobađa u obliku kvanta - čestica zvanih fotoni koji imaju energiju, ali nemaju masu mirovanja. Rentgenski fotoni se razlikuju po svojoj energiji, koja je obrnuto proporcionalna njihovoj talasnoj dužini. U konvencionalnoj metodi dobijanja rendgenskih zraka dobija se širok raspon talasnih dužina, koji se naziva rendgenski spektar. Spektar sadrži izražene komponente, kao što je prikazano na Sl. 1. Široki "kontinuum" naziva se kontinuirani spektar ili bijelo zračenje. Oštri vrhovi koji su postavljeni na njega nazivaju se karakterističnim linijama rendgenske emisije. Iako je cijeli spektar rezultat sudara elektrona sa materijom, mehanizmi za pojavu njegovog širokog dijela i linija su različiti. Supstanca se sastoji od velikog broja atoma, od kojih svaki ima jezgro okruženo elektronskim omotačima, a svaki elektron u ljusci atoma datog elementa zauzima određeni diskretni energetski nivo. Obično se ove ljuske, ili energetski nivoi, označavaju simbolima K, L, M, itd., počevši od ljuske koja je najbliža jezgru. Kada se upadni elektron dovoljno velike energije sudari s jednim od elektrona vezanih za atom, on izbacuje taj elektron iz njegove ljuske. Prazan prostor zauzima drugi elektron iz ljuske, što odgovara višoj energiji. Ovo potonje daje višak energije emitujući rendgenski foton. Pošto elektroni ljuske imaju diskretne vrijednosti energije, rezultirajući fotoni X-zraka također imaju diskretni spektar. Ovo odgovara oštrim vrhovima za određene valne dužine, čije specifične vrijednosti zavise od ciljnog elementa. Karakteristične linije formiraju K-, L- i M-seriju, ovisno o tome iz koje je ljuske (K, L ili M) uklonjen elektron. Odnos između talasne dužine rendgenskih zraka i atomskog broja naziva se Moseleyjev zakon (slika 2).
Ako se elektron sudari s relativno teškim jezgrom, tada se usporava, a njegova kinetička energija se oslobađa u obliku rendgenskog fotona približno iste energije. Ako proleti pored jezgra, izgubit će samo dio svoje energije, a ostatak će se prenijeti na druge atome koji mu padnu na put. Svaki čin gubitka energije dovodi do emisije fotona s određenom energijom. Pojavljuje se kontinuirani rendgenski spektar čija gornja granica odgovara energiji najbržeg elektrona. Ovo je mehanizam za formiranje kontinuiranog spektra, a maksimalna energija (ili minimalna talasna dužina) koja fiksira granicu kontinuiranog spektra proporcionalna je naponu ubrzanja, koji određuje brzinu upadnih elektrona. Spektralne linije karakterišu materijal bombardovane mete, dok je kontinuirani spektar određen energijom elektronskog snopa i praktično ne zavisi od materijala mete. X-zrake se mogu dobiti ne samo bombardiranjem elektrona, već i zračenjem mete rendgenskim zracima iz drugog izvora. U ovom slučaju, međutim, većina energije upadnog snopa odlazi u karakteristični rendgenski spektar, a vrlo mali dio pada u kontinuirani spektar. Očigledno, upadni snop rendgenskih zraka mora sadržavati fotone čija je energija dovoljna da pobudi karakteristične linije bombardiranog elementa. Visok procenat energije po karakterističnom spektru čini ovu metodu rendgenske ekscitacije pogodnom za naučna istraživanja.
Rendgenske cijevi. Da bi se dobilo rendgensko zračenje zbog interakcije elektrona sa materijom, potrebno je imati izvor elektrona, sredstva za njihovo ubrzanje do velikih brzina i metu sposobnu izdržati bombardiranje elektrona i proizvoditi rendgensko zračenje potrebnog intenziteta. Uređaj koji ima sve to zove se rendgenska cijev. Rani istraživači koristili su "duboke vakuumske" cijevi kao što su današnje cijevi za pražnjenje. Vakum u njima nije bio veliki. Cijevi za pražnjenje sadrže malu količinu plina, a kada se na elektrode cijevi primijeni velika razlika potencijala, atomi plina se pretvaraju u pozitivne i negativne ione. Pozitivni se kreću prema negativnoj elektrodi (katodi) i padajući na nju izbijaju elektrone iz nje, a oni se zauzvrat kreću prema pozitivnoj elektrodi (anodi) i bombardirajući je stvaraju tok rendgenskih fotona. . U modernoj rendgenskoj cijevi koju je razvio Coolidge (slika 3), izvor elektrona je volframova katoda zagrijana na visoku temperaturu. Elektroni se ubrzavaju do velikih brzina zbog velike razlike potencijala između anode (ili antikatode) i katode. Budući da elektroni moraju doći do anode bez sudara s atomima, potreban je vrlo visok vakuum, za koji cijev mora biti dobro evakuirana. Ovo također smanjuje vjerovatnoću jonizacije preostalih atoma plina i rezultirajuće bočne struje.
Elektroni su fokusirani na anodu pomoću posebno oblikovane elektrode koja okružuje katodu. Ova elektroda se naziva elektroda za fokusiranje i zajedno sa katodom čini "elektronski reflektor" cijevi. Anoda podvrgnuta bombardovanju elektrona mora biti izrađena od vatrostalnog materijala, jer se većina kinetičke energije bombardirajućih elektrona pretvara u toplinu. Osim toga, poželjno je da anoda bude izrađena od materijala sa visokim atomskim brojem, jer prinos rendgenskih zraka raste sa povećanjem atomskog broja. Za materijal anode najčešće se bira volfram čiji je atomski broj 74. Dizajn rendgenskih cijevi može biti različit u zavisnosti od uvjeta primjene i zahtjeva.
DETEKCIJA X-ZRAKA
Sve metode za detekciju rendgenskih zraka temelje se na njihovoj interakciji sa materijom. Detektori mogu biti dva tipa: oni koji daju sliku i oni koji ne daju. Prvi uključuju uređaje za rendgensku fluorografiju i fluoroskopiju, u kojima rendgenski snop prolazi kroz predmet koji se proučava, a preneseno zračenje ulazi u luminiscentni ekran ili fotografski film. Slika se pojavljuje zbog činjenice da različiti dijelovi predmeta koji se proučava apsorbiraju zračenje na različite načine - ovisno o debljini tvari i njenom sastavu. Kod detektora sa luminiscentnim ekranom, energija rendgenskog zraka se pretvara u direktno vidljivu sliku, dok se u radiografiji snima na osjetljivoj emulziji i može se promatrati tek nakon što se film razvije. Drugi tip detektora uključuje široku paletu uređaja u kojima se energija X zraka pretvara u električne signale koji karakteriziraju relativni intenzitet zračenja. To uključuje jonizacijske komore, Geigerov brojač, proporcionalni brojač, scintilacijski brojač i neke posebne detektore na bazi kadmijum sulfida i selenida. Trenutno se scintilacioni brojači mogu smatrati najefikasnijim detektorima, koji dobro rade u širokom energetskom rasponu.
vidi takođe DETEKTORI ČESTICA . Detektor se bira uzimajući u obzir uslove problema. Na primjer, ako je potrebno precizno izmjeriti intenzitet difraktiranog rendgenskog zračenja, tada se koriste brojači koji omogućavaju mjerenja s točnošću od procenta. Ako je potrebno registrirati puno difrakiranih zraka, onda je preporučljivo koristiti rendgenski film, iako je u ovom slučaju nemoguće odrediti intenzitet s istom preciznošću.
RTG I GAMA DEFEKTOSKOPIJA
Jedna od najčešćih primjena rendgenskih zraka u industriji je kontrola kvaliteta materijala i detekcija grešaka. Rendgenska metoda je nedestruktivna, tako da se materijal koji se ispituje, ako se utvrdi da ispunjava tražene zahtjeve, može koristiti za svoju namjenu. I rendgenska i gama detekcija grešaka zasnivaju se na prodornoj moći rendgenskih zraka i karakteristikama njihove apsorpcije u materijalima. Prodorna snaga je određena energijom rendgenskih fotona, koja ovisi o naponu ubrzanja u rendgenskoj cijevi. Zbog toga debeli uzorci i uzorci teških metala, poput zlata i uranijuma, za njihovo proučavanje zahtijevaju izvor rendgenskih zraka većeg napona, a za tanke uzorke dovoljan je izvor nižeg napona. Za detekciju grešaka gama zrakama vrlo velikih odljevaka i velikih valjanih proizvoda koriste se betatroni i linearni akceleratori koji ubrzavaju čestice do energije od 25 MeV i više. Apsorpcija rendgenskih zraka u materijalu ovisi o debljini apsorbera d i koeficijentu apsorpcije m i određena je formulom I = I0e-md, gdje je I intenzitet zračenja propuštenog kroz apsorber, I0 je intenzitet upadnog zračenja, a e = 2,718 je baza prirodnih logaritama. Za dati materijal, na datoj talasnoj dužini (ili energiji) rendgenskih zraka, koeficijent apsorpcije je konstanta. Ali zračenje izvora rendgenskih zraka nije monokromatsko, već sadrži širok spektar valnih duljina, zbog čega apsorpcija pri istoj debljini apsorbera ovisi o valnoj dužini (frekvenciji) zračenja. Rentgensko zračenje ima široku primenu u svim industrijama koje su povezane sa obradom metala pritiskom. Takođe se koristi za ispitivanje artiljerijskih cevi, prehrambenih proizvoda, plastike, za ispitivanje složenih uređaja i sistema u elektronskom inženjerstvu. (Neutronografija, koja koristi neutronske zrake umjesto rendgenskih zraka, koristi se u slične svrhe.) X-zrake se također koriste u druge svrhe, kao što je ispitivanje slika kako bi se utvrdila njihova autentičnost ili otkrivanje dodatnih slojeva boje na vrhu glavnog sloja .
DIFRAKCIJA X-ZRAKA
Difrakcija rendgenskih zraka daje važne informacije o čvrstim tvarima – njihovoj atomskoj strukturi i kristalnom obliku – kao i o tekućinama, amorfnim tijelima i velikim molekulima. Metoda difrakcije se također koristi za precizno (sa greškom manjom od 10-5) određivanje međuatomskih udaljenosti, detekciju napona i defekata, te za određivanje orijentacije monokristala. Difrakcijski uzorak može identificirati nepoznate materijale, kao i otkriti prisustvo nečistoća u uzorku i odrediti ih. Važnost metode difrakcije rendgenskih zraka za napredak moderne fizike teško se može precijeniti, budući da se savremeno razumijevanje svojstava materije u konačnici zasniva na podacima o rasporedu atoma u različitim hemijskim jedinjenjima, o prirodi veza. između njih i na strukturnim defektima. Glavni alat za dobijanje ovih informacija je metoda difrakcije rendgenskih zraka. Kristalografija difrakcije rendgenskih zraka izuzetno je važna za određivanje strukture složenih velikih molekula, kao što su one deoksiribonukleinske kiseline (DNK), genetskog materijala živih organizama. Neposredno nakon otkrića rendgenskog zračenja, naučni i medicinski interes je bio koncentrisan kako na sposobnost ovog zračenja da prodire kroz tijela, tako i na njegovu prirodu. Eksperimenti o difrakciji rendgenskog zračenja na prorezima i difrakcionim rešetkama pokazali su da ono pripada elektromagnetskom zračenju i da ima talasnu dužinu reda 10-8-10-9 cm. Još ranije su naučnici, posebno W. Barlow, pretpostavljali da je pravilan i simetričan oblik prirodnih kristala rezultat uređenog rasporeda atoma koji formiraju kristal. U nekim slučajevima, Barlow je mogao ispravno predvidjeti strukturu kristala. Vrijednost predviđenih međuatomskih udaljenosti iznosila je 10-8 cm, a činjenica da su međuatomske udaljenosti bile reda veličine talasne dužine rendgenskih zraka omogućila je u principu posmatranje njihove difrakcije. Rezultat je bila ideja za jedan od najvažnijih eksperimenata u historiji fizike. M. Laue je organizovao eksperimentalno testiranje ove ideje, koje su izveli njegove kolege W. Friedrich i P. Knipping. Godine 1912. njih trojica su objavili svoj rad o rezultatima difrakcije rendgenskih zraka. Principi difrakcije rendgenskih zraka. Da bismo razumjeli fenomen difrakcije rendgenskih zraka, moramo razmotriti redom: prvo, spektar rendgenskih zraka, drugo, prirodu kristalne strukture i, treće, sam fenomen difrakcije. Kao što je gore pomenuto, karakteristično rendgensko zračenje se sastoji od niza spektralnih linija visokog stepena monohromatnosti, određenih materijalom anode. Uz pomoć filtera možete odabrati najintenzivniji od njih. Stoga je odabirom materijala anode na odgovarajući način moguće dobiti izvor gotovo monokromatskog zračenja sa vrlo precizno definiranom vrijednošću valne dužine. Valne dužine karakterističnog zračenja se obično kreću od 2,285 za hrom do 0,558 za srebro (vrijednosti za različite elemente poznate su na šest značajnih cifara). Karakteristični spektar je superponiran na kontinuirani "bijeli" spektar mnogo nižeg intenziteta, zbog usporavanja upadnih elektrona u anodi. Tako se iz svake anode mogu dobiti dvije vrste zračenja: karakteristično i kočno, od kojih svaka igra važnu ulogu na svoj način. Atomi u kristalnoj strukturi nalaze se u pravilnim intervalima, formirajući niz identičnih ćelija – prostornu rešetku. Neke rešetke (na primjer, za većinu običnih metala) su prilično jednostavne, dok su druge (na primjer, za proteinske molekule) prilično složene. Kristalnu strukturu karakterizira sljedeće: ako se pomakne iz neke date tačke jedne ćelije u odgovarajuću tačku susjedne ćelije, onda će se naći potpuno isto atomsko okruženje. A ako se neki atom nalazi u jednoj ili drugoj tački jedne ćelije, onda će se isti atom nalaziti u ekvivalentnoj tački bilo koje susjedne ćelije. Ovaj princip striktno vrijedi za savršen, idealno uređen kristal. Međutim, mnogi kristali (na primjer, metalne čvrste otopine) su u određenoj mjeri neuređeni; kristalografski ekvivalentna mjesta mogu zauzimati različiti atomi. U tim slučajevima nije određen položaj svakog atoma, već samo položaj atoma „statistički prosječan” na velikom broju čestica (ili ćelija). Fenomen difrakcije razmatran je u članku OPTIKA i čitalac može pogledati ovaj članak prije nego što nastavi dalje. Pokazuje da ako valovi (na primjer, zvuk, svjetlost, X-zrake) prolaze kroz mali prorez ili rupu, onda se potonji može smatrati sekundarnim izvorom valova, a slika proreza ili rupe sastoji se od naizmjenične svjetlosti i tamne pruge. Nadalje, ako postoji periodična struktura rupa ili utora, tada se kao rezultat pojačavanja i slabljenja interferencije zraka koje dolaze iz različitih rupa javlja jasan uzorak difrakcije. Difrakcija rendgenskih zraka je kolektivna pojava raspršenja u kojoj ulogu rupa i centara raspršenja imaju periodično raspoređeni atomi kristalne strukture. Međusobno pojačavanje njihovih slika pod određenim uglovima daje uzorak difrakcije sličan onom koji bi nastao difrakcijom svjetlosti na trodimenzionalnoj difrakcijskoj rešetki. Do raspršivanja dolazi zbog interakcije upadnog rendgenskog zračenja s elektronima u kristalu. Zbog činjenice da je talasna dužina rendgenskog zračenja istog reda kao i dimenzije atoma, talasna dužina raspršenog rendgenskog zračenja je ista kao i upadnog. Ovaj proces je rezultat prisilnih oscilacija elektrona pod djelovanjem upadnih rendgenskih zraka. Zamislite sada atom sa oblakom vezanih elektrona (oko jezgra) na koji upadaju X-zrake. Elektroni u svim smjerovima istovremeno raspršuju incident i emituju vlastito rendgensko zračenje iste valne dužine, iako različitog intenziteta. Intenzitet raspršenog zračenja povezan je sa atomskim brojem elementa, jer atomski broj je jednak broju orbitalnih elektrona koji mogu učestvovati u rasejanju. (Ovu ovisnost intenziteta od atomskog broja raspršivača i smjera u kojem se intenzitet mjeri karakterizira faktor atomskog raspršenja, koji igra izuzetno važnu ulogu u analizi strukture kristala.) izaberite u kristalnoj strukturi linearni lanac atoma koji se nalaze na istoj udaljenosti jedan od drugog i razmotrite njihov uzorak difrakcije. Već je napomenuto da se rendgenski spektar sastoji od kontinuiranog dijela („kontinuuma“) i skupa intenzivnijih linija karakterističnih za element koji je anodni materijal. Recimo da smo filtrirali kontinuirani spektar i dobili skoro monohromatski snop rendgenskih zraka usmjeren na naš linearni lanac atoma. Uslov pojačanja (interferencija pojačanja) je zadovoljen ako je razlika između putanja talasa raspršenih susjednim atomima višestruka valne dužine. Ako snop pada pod uglom a0 na liniju atoma razdvojenih intervalima a (period), tada će za ugao difrakcije a razlika putanje koja odgovara pojačanju biti zapisana kao a(cos a - cosa0) = hl, gdje je l je talasna dužina, a h ceo broj (sl. 4 i 5).
Da bi se ovaj pristup proširio na trodimenzionalni kristal, potrebno je samo odabrati redove atoma u dva druga smjera u kristalu i zajedno riješiti tri tako dobivene jednadžbe za tri kristalne ose s periodima a, b i c. Druge dvije jednačine su
Ovo su tri osnovne Laueove jednadžbe za difrakciju rendgenskih zraka, pri čemu su brojevi h, k i c Millerovi indeksi za ravan difrakcije.
vidi takođe KRISTALI I KRISTALOGRAFIJA. Uzimajući u obzir bilo koju od Laueovih jednadžbi, na primjer prvu, može se primijetiti da pošto su a, a0, l konstante i h = 0, 1, 2, ..., njeno rješenje se može predstaviti kao skup čunjeva sa zajednička osa a (sl. 5). Isto vrijedi i za pravce b i c. U opštem slučaju trodimenzionalnog rasejanja (difrakcije), tri Laueove jednačine moraju imati zajedničko rešenje, tj. tri difrakciona konusa koja se nalaze na svakoj od osi moraju se ukrštati; zajednička linija ukrštanja je prikazana na sl. 6. Zajedničko rješenje jednačina dovodi do Bragg-Wulfovog zakona:
l = 2(d/n)sinq, gdje je d udaljenost između ravnina sa indeksima h, k i c (period), n = 1, 2, ... su cijeli brojevi (red difrakcije), a q je ugao formiran upadnim snopom (kao i difrakcijom) sa ravninom kristala u kojoj se javlja difrakcija. Analizirajući jednadžbu Bragg-Vulfovog zakona za jedan kristal koji se nalazi na putu monohromatskog rendgenskog snopa, možemo zaključiti da difrakciju nije lako uočiti, jer l i q su fiksni, a sinq METODE ANALIZE DIFRAKCIJE
Laue metoda. Laueova metoda koristi kontinuirani "bijeli" spektar X-zraka, koji je usmjeren na stacionarni monokristal. Za određenu vrijednost perioda d, talasna dužina koja odgovara Bragg-Wulfovom uslovu se automatski bira iz cijelog spektra. Laue obrasci dobiveni na ovaj način omogućavaju procjenu smjerova difraktiranih zraka i, posljedično, orijentacije kristalnih ravnina, što također omogućava izvođenje važnih zaključaka o simetriji, orijentaciji kristala i prisutnosti nedostataka u njemu. U ovom slučaju, međutim, informacija o prostornom periodu d se gubi. Na sl. 7 pokazuje primjer Lauegrama. Rendgenski film se nalazio na strani kristala suprotnoj onoj na koju je snop rendgenskih zraka upao iz izvora.
Debye-Scherrerova metoda (za polikristalne uzorke). Za razliku od prethodne metode, ovdje se koristi monohromatsko zračenje (l = const), a ugao q se mijenja. To se postiže korištenjem polikristalnog uzorka koji se sastoji od brojnih malih kristalita nasumične orijentacije, među kojima ima i onih koji zadovoljavaju Bragg-Wulfov uvjet. Difraktirani snopovi formiraju čunjeve čija je os usmjerena duž snopa X zraka. Za snimanje se obično koristi uska traka rendgenskog filma u cilindričnoj kaseti, a rendgenski zraci se šire duž promjera kroz rupe u filmu. Ovako dobijeni debajgram (slika 8) sadrži tačne podatke o periodu d, tj. o strukturi kristala, ali ne daje informacije koje Lauegram sadrži. Stoga se obje metode međusobno nadopunjuju. Razmotrimo neke primjene Debye-Scherrerove metode.
Identifikacija hemijskih elemenata i jedinjenja. Iz ugla q određenog iz Debyegrama, može se izračunati međuplanarna udaljenost d karakteristika datog elementa ili spoja. Trenutno je sastavljeno mnogo tablica d vrijednosti, koje omogućavaju identifikaciju ne samo jednog ili drugog kemijskog elementa ili spoja, već i različitih faznih stanja iste tvari, što ne daje uvijek kemijsku analizu. Također je moguće odrediti sadržaj druge komponente u supstitucionim legurama sa velikom preciznošću iz zavisnosti perioda d o koncentraciji.
Analiza stresa. Iz izmjerene razlike međuplanarnih razmaka za različite smjerove u kristalima, znajući modul elastičnosti materijala, moguće je sa velikom preciznošću izračunati mala naprezanja u njemu.
Studije preferencijalne orijentacije u kristalima. Ako mali kristaliti u polikristalnom uzorku nisu potpuno nasumično orijentirani, tada će prstenovi na Debyegramu imati različite intenzitete. U prisustvu izražene preferirane orijentacije, maksimumi intenziteta su koncentrisani u pojedinačnim tačkama na slici, što postaje slično slici za pojedinačni kristal. Na primjer, tokom dubokog hladnog valjanja, metalni lim poprima teksturu - izraženu orijentaciju kristalita. Prema debaygramu može se suditi o prirodi hladnog obrađivanja materijala.
Proučavanje veličina zrna. Ako je veličina zrna polikristala veća od 10-3 cm, tada će se linije na Debyegramu sastojati od pojedinačnih mrlja, jer u ovom slučaju broj kristalita nije dovoljan da pokrije cijeli raspon q uglova. Ako je veličina kristalita manja od 10-5 cm, tada difrakcijske linije postaju šire. Njihova širina je obrnuto proporcionalna veličini kristalita. Širenje se događa iz istog razloga zbog kojeg smanjenje broja proreza smanjuje rezoluciju difrakcijske rešetke. Rendgensko zračenje omogućava određivanje veličine zrna u rasponu od 10-7-10-6 cm.
Metode za monokristale. Da bi difrakcija na kristalu dala informacije ne samo o prostornom periodu, već io orijentaciji svakog skupa ravan difrakcije, koriste se metode rotirajućeg monokristala. Monokromatski snop rendgenskih zraka pada na kristal. Kristal se rotira oko glavne ose, za šta su Laueove jednačine zadovoljene. U ovom slučaju se mijenja ugao q, koji je uključen u Bragg-Wulfovu formulu. Difrakcijski maksimumi se nalaze na presjeku Laueovih difrakcijskih konusa sa cilindričnom površinom filma (slika 9). Rezultat je difrakcijski uzorak tipa prikazan na Sl. 10. Međutim, moguće su komplikacije zbog preklapanja različitih redova difrakcije u jednoj tački. Metoda se može značajno poboljšati ako se istovremeno s rotacijom kristala na određeni način pomjera i film.
Studije tečnosti i gasova. Poznato je da tečnosti, gasovi i amorfna tela nemaju ispravnu kristalnu strukturu. Ali i ovdje postoji kemijska veza između atoma u molekulima, zbog čega udaljenost između njih ostaje gotovo konstantna, iako su sami molekuli nasumično orijentirani u prostoru. Takvi materijali također daju difrakcijski uzorak s relativno malim brojem razmazanih maksimuma. Obrada takve slike modernim metodama omogućava dobivanje informacija o strukturi čak i takvih nekristalnih materijala.
SPEKTROHEMIJSKA ANALIZA X-ZRAKA
Nekoliko godina nakon otkrića rendgenskih zraka, C. Barkla (1877-1944) otkrio je da kada fluks rendgenskih zraka visoke energije djeluje na supstancu, nastaje sekundarno fluorescentno rendgensko zračenje, što je karakteristično za element pod studijom. Ubrzo nakon toga, G. Moseley je, u nizu svojih eksperimenata, izmjerio valne dužine primarnog karakterističnog rendgenskog zračenja dobivenog elektronskim bombardiranjem različitih elemenata i zaključio odnos između valne dužine i atomskog broja. Ovi eksperimenti, i Braggov izum rendgenskog spektrometra, postavili su osnovu za spektrohemijsku analizu rendgenskih zraka. Odmah su prepoznate mogućnosti rendgenskih zraka za hemijsku analizu. Spektrografi su kreirani uz registraciju na fotografskoj ploči, u kojoj je ispitivani uzorak služio kao anoda rendgenske cijevi. Nažalost, ispostavilo se da je ova tehnika vrlo naporna, pa se koristila samo kada su uobičajene metode kemijske analize bile neprimjenjive. Izvanredan primjer inovativnog istraživanja u oblasti analitičke rendgenske spektroskopije bilo je otkriće 1923. G. Hevesyja i D. Costera novog elementa, hafnija. Razvoj rendgenskih cijevi velike snage za radiografiju i osjetljivih detektora za radiohemijska mjerenja tokom Drugog svjetskog rata umnogome je doprinio brzom rastu rendgenske spektrografije u narednim godinama. Ova metoda je postala široko rasprostranjena zbog brzine, praktičnosti, nedestruktivne prirode analize i mogućnosti potpune ili djelomične automatizacije. Primjenjiv je u problemima kvantitativne i kvalitativne analize svih elemenata s atomskim brojem većim od 11 (natrijum). I iako se rendgenska spektrohemijska analiza obično koristi za određivanje najvažnijih komponenti u uzorku (od 0,1-100%), u nekim slučajevima je pogodna za koncentracije od 0,005% pa čak i niže.
X-ray spektrometar. Savremeni rendgenski spektrometar se sastoji od tri glavna sistema (slika 11): sistema ekscitacije, tj. rendgenska cijev sa anodom od volframa ili drugog vatrostalnog materijala i napajanjem; sistemi analize, tj. kristal analizatora sa dva kolimatora sa više proreza, kao i spektrogoniometar za fino podešavanje; i sistemi za registraciju sa Geigerovim ili proporcionalnim ili scintilacionim brojačem, kao i ispravljačem, pojačalom, brojačima i snimačem grafikona ili drugim uređajem za snimanje.
Rentgenska fluorescentna analiza. Analizirani uzorak se nalazi na putu uzbudljivog rendgenskog zraka. Područje uzorka koji se ispituje obično je izolirano maskom s rupom željenog promjera, a zračenje prolazi kroz kolimator koji formira paralelni snop. Iza kristala analizatora, prorezni kolimator emituje difraktirano zračenje za detektor. Obično je maksimalni ugao q ograničen na vrijednosti od 80-85°, tako da se samo rendgensko zračenje može difrakirati na kristalu analizatora čija je valna dužina l povezana s međuplanarnom udaljenosti d nejednakošću l Rentgenska mikroanaliza. Gore opisani kristalni spektrometar ravnog analizatora može se prilagoditi za mikroanalizu. Ovo se postiže sužavanjem ili primarnog snopa rendgenskih zraka ili sekundarnog snopa koji emituje uzorak. Međutim, smanjenje efektivne veličine uzorka ili otvora zračenja dovodi do smanjenja intenziteta registrovanog difraktiranog zračenja. Poboljšanje ove metode može se postići upotrebom zakrivljenog kristalnog spektrometra, koji omogućava registraciju konusa divergentnog zračenja, a ne samo zračenja paralelnog osi kolimatora. Sa takvim spektrometrom mogu se identificirati čestice manje od 25 µm. Još veće smanjenje veličine analiziranog uzorka postiže se mikroanalizatorom rendgenske elektronske sonde koji je izumio R. Kasten. Ovdje visoko fokusirani snop elektrona pobuđuje karakterističnu rendgensku emisiju uzorka, koja se zatim analizira spektrometrom sa savijenim kristalima. Pomoću takvog uređaja moguće je detektirati količine tvari reda veličine 10-14 g u uzorku promjera 1 μm. Razvijene su i instalacije sa skeniranjem uzorka elektronskim snopom, uz pomoć kojih je moguće dobiti dvodimenzionalni obrazac raspodjele po uzorku elementa za čije karakteristično zračenje je podešen spektrometar.
MEDICINSKA RTG DIJAGNOSTIKA
Razvoj rendgenske tehnologije značajno je smanjio vrijeme ekspozicije i poboljšao kvalitet slike, omogućavajući proučavanje čak i mekih tkiva.
Fluorografija. Ova dijagnostička metoda se sastoji u fotografiranju slike u sjeni sa prozirnog ekrana. Pacijent se postavlja između izvora rendgenskih zraka i ravnog ekrana od fosfora (obično cezijum jodida), koji svijetli kada je izložen rendgenskim zracima. Biološka tkiva različitog stepena gustine stvaraju senke rendgenskog zračenja različitog stepena intenziteta. Radiolog pregleda sliku sjene na fluorescentnom ekranu i postavlja dijagnozu. U prošlosti, radiolog se oslanjao na viziju za analizu slike. Sada postoje različiti sistemi koji pojačavaju sliku, prikazuju je na televizijskom ekranu ili snimaju podatke u memoriju računara.
Radiografija. Snimanje rendgenske slike direktno na fotografski film naziva se radiografija. U ovom slučaju, organ koji se proučava nalazi se između izvora rendgenskih zraka i filma, koji bilježi informacije o stanju organa u datom trenutku. Ponovljena radiografija omogućava suditi o njenoj daljnjoj evoluciji. Radiografija vam omogućava da vrlo precizno ispitate integritet koštanog tkiva koje se sastoji uglavnom od kalcijuma i neprozirno je za rendgenske zrake, kao i rupture mišićnog tkiva. Uz njegovu pomoć, bolje od stetoskopa ili slušanja, analizira se stanje pluća u slučaju upale, tuberkuloze ili prisustva tečnosti. Uz pomoć radiografije utvrđuje se veličina i oblik srca, kao i dinamika njegovih promjena kod pacijenata koji boluju od srčanih bolesti.
kontrastna sredstva. Dijelovi tijela i šupljine pojedinih organa koji su transparentni za rendgenske zrake postaju vidljivi ako su ispunjeni kontrastnim sredstvom koje je bezopasno za tijelo, ali omogućava vizualizaciju oblika unutrašnjih organa i provjeru njihovog funkcionisanja. Pacijent ili uzima kontrastna sredstva oralno (kao, na primjer, soli barija u proučavanju gastrointestinalnog trakta), ili se daju intravenozno (kao, na primjer, otopine koje sadrže jod u proučavanju bubrega i urinarnog trakta). Posljednjih godina, međutim, ove metode su zamijenjene dijagnostičkim metodama zasnovanim na korištenju radioaktivnih atoma i ultrazvuka.
CT skener. Sedamdesetih godina prošlog veka razvijena je nova metoda rendgenske dijagnostike, zasnovana na kompletnoj fotografiji tela ili njegovih delova. Slike tankih slojeva („kriške“) se obrađuju računarom, a konačna slika se prikazuje na ekranu monitora. Ova metoda se naziva kompjuterizovana rendgenska tomografija. Široko se koristi u savremenoj medicini za dijagnosticiranje infiltrata, tumora i drugih moždanih oboljenja, kao i za dijagnostiku bolesti mekih tkiva unutar tijela. Ova tehnika ne zahtijeva uvođenje stranih kontrastnih sredstava i stoga je brža i učinkovitija od tradicionalnih tehnika.
BIOLOŠKO DJELOVANJE RTG ZRAČENJA
Štetno biološko djelovanje rendgenskog zračenja otkriveno je ubrzo nakon što ga je otkrio Roentgen. Ispostavilo se da novo zračenje može izazvati nešto poput jakih opekotina od sunca (eritema), praćenih, međutim, dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji se pojavljuju često su se pretvarali u rak. U mnogim slučajevima, prsti ili šake su morali biti amputirani. Bilo je i smrtnih slučajeva. Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena izlaganja i doze, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. Ali postepeno su otkriveni drugi, dugoročniji efekti izlaganja rendgenskim zracima, koji su potom potvrđeni i proučavani na eksperimentalnim životinjama. Efekti delovanja rendgenskih zraka, kao i drugih jonizujućih zračenja (kao što je gama zračenje koje emituju radioaktivni materijali) obuhvataju: 1) privremene promene u sastavu krvi nakon relativno malog prekomernog izlaganja; 2) ireverzibilne promene u sastavu krvi (hemolitička anemija) nakon dužeg prekomernog izlaganja; 3) povećanje incidencije raka (uključujući leukemiju); 4) brže starenje i ranu smrt; 5) pojava katarakte. Osim toga, biološki eksperimenti na miševima, zečevima i mušicama (Drosophila) pokazali su da čak i male doze sistematskog zračenja velikih populacija, zbog povećanja stope mutacije, dovode do štetnih genetskih efekata. Većina genetičara prepoznaje primjenjivost ovih podataka na ljudsko tijelo. Što se tiče biološkog djelovanja rendgenskog zračenja na ljudski organizam, ono je određeno visinom doze zračenja, kao i time koji je organ tijela bio izložen zračenju. Tako, na primjer, bolesti krvi nastaju zračenjem hematopoetskih organa, uglavnom koštane srži, a genetske posljedice - zračenjem genitalnih organa, što može dovesti i do steriliteta. Akumulacija znanja o uticaju rendgenskih zraka na ljudski organizam dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dozvoljene doze ekspozicije, objavljenih u različitim referentnim publikacijama. Osim rendgenskih zraka, koje ljudi namjenski koriste, postoji i takozvano raspršeno, bočno zračenje koje nastaje iz različitih razloga, na primjer, zbog raspršivanja zbog nesavršenosti olovnog zaštitnog ekrana, koje ne djeluje. potpuno apsorbuju ovo zračenje. Osim toga, mnogi električni uređaji koji nisu dizajnirani da proizvode X-zrake ipak stvaraju X-zrake kao nusproizvod. Takvi uređaji uključuju elektronske mikroskope, visokonaponske ispravljačke lampe (kenotrone), kao i kineskope zastarjelih televizora u boji. Proizvodnja modernih kineskopa u boji u mnogim zemljama sada je pod kontrolom vlade.
OPASNOSTI OD RTG ZRAČENJA
Vrste i stepen opasnosti od izlaganja rendgenskim zracima zavise od kontingenta ljudi koji su izloženi zračenju.
Profesionalci koji rade sa rendgenskom opremom. Ova kategorija uključuje radiologe, stomatologe, kao i naučne i tehničke radnike i osoblje koje održava i koristi rendgensku opremu. Poduzimaju se efikasne mjere za smanjenje nivoa radijacije s kojom se moraju nositi.
Pacijenti. Ovdje ne postoje strogi kriteriji, a siguran nivo zračenja koji pacijenti primaju tokom liječenja određuju ljekari koji prisustvuju. Ljekarima se savjetuje da ne izlažu pacijente nepotrebno rendgenskim zracima. Poseban oprez treba biti kod pregleda trudnica i djece. U tom slučaju se poduzimaju posebne mjere.
Metode kontrole. Postoje tri aspekta ovoga:
1) dostupnost adekvatne opreme, 2) sprovođenje sigurnosnih propisa, 3) pravilno korišćenje opreme. Kod rendgenskog pregleda, zračenju treba biti izloženo samo željeno područje, bilo da se radi o stomatološkim pregledima ili pregledima pluća. Imajte na umu da odmah nakon isključivanja rendgenskog aparata nestaju i primarno i sekundarno zračenje; nema ni rezidualnog zračenja, što nije uvijek poznato čak ni onima koji su s njim direktno povezani u svom radu.
vidi takođe
ATOM STRUCTURE;
