Upotreba rendgenskih zraka. Analiza nesavršenosti u kristalnoj strukturi. Izlaganje trudnica X-zrakama

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE RUSKE FEDERACIJE

DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA

VISOKA STRUČNA OBRAZOVANJA

MOSKVSKI DRŽAVNI INSTITUT ZA ČELIK I LEGURE

(TEHNOLOŠKO SVEUČILIŠTE)

NOVOTROITSKY PODRUŽNICA

Zavod 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 X-zraka

2. Poglavlje

2.1 Izvori X-zraka

2.2 Svojstva X-zraka

2.3 Registracija X-zraka

2.4 Korištenje X-zraka

Poglavlje 3

3.1. Analiza nesavršenosti kristalne strukture

3.2 Analiza spektra

Zaključak

Popis korištenih izvora

Prijave

Uvod

Rijetka osoba nije prošla kroz rendgensku sobu. Slike snimljene rendgenskim zrakama poznate su svima. Godine 1995. ovo je otkriće navršilo 100 godina. Teško je zamisliti kakvo je zanimanje izazvalo prije jednog stoljeća. U rukama čovjeka pokazao se aparat s kojim je bilo moguće vidjeti nevidljivo.

Ovo nevidljivo zračenje, sposobno prodrijeti, iako u različitim stupnjevima, u sve tvari, a to je elektromagnetsko zračenje valne duljine od oko 10 -8 cm, nazvano je rendgensko zračenje, u čast Wilhelma Roentgena, koji ga je otkrio.

Poput vidljivog svjetla, X-zrake uzrokuju crnjenje fotografskog filma. Ovo svojstvo je od velike važnosti za medicinu, industriju i znanstvena istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim pada na film, rendgensko zračenje na njemu prikazuje njegovu unutarnju strukturu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi predmeta koji su mu manje transparentni daju svjetlija područja na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Stoga su koštana tkiva manje prozirna za rendgenske zrake nego tkiva koja čine kožu i unutarnje organe. Stoga će se na rendgenskom snimku kosti označiti kao svjetlije površine, a mjesto prijeloma, koje je manje prozirno za zračenje, može se vrlo lako otkriti. Rentgensko snimanje također se koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao iu industriji za otkrivanje pukotina u odljevcima, plastici i gumi, u kemiji za analizu spojeva, a u fizici za proučavanje strukture kristala .

Nakon Roentgenovog otkrića uslijedili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i mogućnosti korištenja ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju X-zraka pri prolasku kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio visokovakuumsku rentgensku cijev s grijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine utvrdio odnos između valne duljine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Braggi, koji su 1915. godine dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova analize difrakcije X-zraka.

Svrha ovog kolegija je proučavanje fenomena rendgenskog zračenja, povijest otkrića, svojstva i utvrđivanje opsega njegove primjene.

Poglavlje 1

1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada

Wilhelm Conrad Roentgen rođen je 17. ožujka 1845. u pograničnom području Njemačke s Nizozemskom, u gradu Lenepe. Tehničko obrazovanje stekao je u Zürichu na istoj Visokoj tehničkoj školi (Politehnici) gdje je Einstein kasnije studirao. Strast prema fizici natjerala ga je nakon što je napustio školu 1866. da nastavi s tjelesnim odgojem.

Godine 1868. obranio je disertaciju za stupanj doktora filozofije, radio je kao asistent na Katedri za fiziku, najprije u Zürichu, zatim u Giessenu, a zatim u Strasbourgu (1874.-1879.) kod Kundta. Ovdje je Roentgen prošao dobru eksperimentalnu školu i postao prvorazredni eksperimentator. Dio važnih istraživanja Roentgen je obavio sa svojim učenikom, jednim od utemeljitelja sovjetske fizike, A.F. Ioffe.

Znanstvena istraživanja odnose se na elektromagnetizam, kristalnu fiziku, optiku, molekularnu fiziku.

Godine 1895. otkrio je zračenje s valnom duljinom kraćom od valne duljine ultraljubičastih zraka (X-zraka), kasnije nazvanih x-zrake, i istražio njihova svojstva: sposobnost refleksije, apsorpcije, ionizacije zraka itd. Predložio je ispravnu konstrukciju cijevi za dobivanje X-zraka - nagnutu antikatodo od platine i konkavnu katodu: bio je prvi koji je fotografirao pomoću X-zraka. On je 1885. godine otkrio magnetsko polje dielektrika koji se kreće u električnom polju (tzv. "roentgen struja"). Njegovo iskustvo jasno je pokazalo da magnetsko polje nastaje pokretnim nabojem, te je bilo važno za stvaranje X. Lorentzova elektronska teorija. Značajan broj Roentgenovih radova posvećen je proučavanju svojstava tekućina, plinova, kristala, elektromagnetskih pojava, otkrio je odnos između električnih i optičkih pojava u kristalima. Za otkriće zraka koje nose njegovo ime, Roentgen je 1901. bio je prvi među fizičarima koji je dobio Nobelovu nagradu.

Od 1900. do posljednjih dana života (umro 10. veljače 1923.) radio je na Sveučilištu u Münchenu.

1.2 Otkriće X-zraka

Kraj 19. stoljeća bio je obilježen pojačanim interesom za fenomene prolaska elektriciteta kroz plinove. Čak je i Faraday ozbiljno proučavao ove pojave, opisao razne oblike pražnjenja, otkrio tamni prostor u svjetlećem stupcu razrijeđenog plina. Faradayev tamni prostor odvaja plavičasti, katodni sjaj od ružičastog, anodnog sjaja.

Daljnje povećanje razrijeđenosti plina značajno mijenja prirodu sjaja. Matematičar Plücker (1801.-1868.) otkrio je 1859. godine, pri dovoljno jakom razrjeđivanju, slabo plavičasti snop zraka koji izlazi iz katode, dolazi do anode i uzrokuje sjaj stakla cijevi. Plückerov učenik Gittorf (1824.-1914.) 1869. godine nastavio je istraživanje svog učitelja i pokazao da se na fluorescentnoj površini cijevi pojavljuje izrazita sjena ako se između katode i te površine stavi čvrsto tijelo.

Goldstein (1850-1931), proučavajući svojstva zraka, nazvao ih je katodnim zrakama (1876). Tri godine kasnije William Crookes (1832.-1919.) dokazao je materijalnu prirodu katodnih zraka i nazvao ih "zračećom materijom" - tvari u posebnom četvrtom stanju. Njegovi dokazi bili su uvjerljivi i jasni. Eksperimenti s "Crookesovom cijevi" prikazani su kasnije u svim učionicama tjelesnog . Skretanje katodne zrake magnetskim poljem u Crookesovoj cijevi postalo je klasična školska demonstracija.

Međutim, pokusi 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. Hertzov učenik F. Lenard eksperimentirajući s katodnim zrakama pokazao je 1893. da one prolaze kroz prozor obložen aluminijskom folijom i izazivaju sjaj u prostoru iza prozora. Fenomenu prolaska katodnih zraka kroz tanka metalna tijela Hertz je posvetio svoj posljednji članak, objavljen 1892. Počinjao je riječima:

»Katodne zrake se značajno razlikuju od svjetlosti u smislu njihove sposobnosti prodiranja u krute tvari.« Opisujući rezultate eksperimenata o prolasku katodnih zraka kroz zlatne, srebrne, platinske, aluminijske itd. listiće, Hertz napominje da nije uočiti bilo kakve posebne razlike u pojavama Zrake ne prolaze kroz lišće u ravnoj liniji, već se raspršuju difrakcijom. Priroda katodnih zraka još je bila nejasna.

Upravo s takvim cijevima Crookesa, Lenarda i drugih eksperimentirao je würzburški profesor Wilhelm Konrad Roentgen krajem 1895. Jednom je, nakon završetka eksperimenta, zatvorio cijev crnim kartonskim poklopcem, ugasio svjetlo, ali nije isključio induktor koji je napajao cijev, primijetio je sjaj ekrana od barij cijanogena koji se nalazi u blizini cijevi. Zapanjen tom okolnošću, Roentgen je počeo eksperimentirati s ekranom. U svom prvom izvješću "O novoj vrsti zraka", od 28. prosinca 1895., napisao je o ovim prvim eksperimentima: "Komadić papira premazan barij platina-cijanidom, kada se približi cijevi, zatvoren tankim crnim kartonskim poklopcem koja mu dovoljno tijesno pristaje, sa svakim pražnjenjem bljesne jarkom svjetlošću: počinje fluorescirati. Fluorescencija je vidljiva pri dovoljnom zatamnjenju i ne ovisi o tome donosimo li papir sa stranom premazanom barijevim sinerogenom ili bez barijevog sinerogena. Fluorescencija je primjetna čak i na udaljenosti od dva metra od cijevi.”

Pažljivo ispitivanje pokazalo je Roentgenu "da je crni karton, proziran ni za vidljive i ultraljubičaste zrake sunca, ni za zrake električnog luka, prožet nekom vrstom fluorescentnog agensa." Roentgen je istražio moć prodiranja ovog "agensa" , koje je zbog kratkoće nazvao "X-zrake", za razne tvari. Otkrio je da zrake slobodno prolaze kroz papir, drvo, ebonit, tanke slojeve metala, ali ih snažno zadržava olovo.

Zatim opisuje senzacionalno iskustvo:

“Ako držite ruku između ispusne cijevi i ekrana, možete vidjeti tamne sjene kostiju u slabim obrisima sjene same ruke.” Ovo je bio prvi rendgenski pregled ljudskog tijela.

Ove su snimke ostavile veliki dojam; otkriće još nije bilo dovršeno, a rendgenska dijagnostika već je započela svoj put. “Moj laboratorij bio je preplavljen liječnicima koji su dovodili pacijente koji su sumnjali da imaju igle u raznim dijelovima tijela”, napisao je engleski fizičar Schuster.

Već nakon prvih pokusa Roentgen je čvrsto utvrdio da se rendgenske zrake razlikuju od katodnih, ne nose naboj i ne odbijaju se magnetskim poljem, već ih pobuđuju katodne zrake. "X-zrake nisu identične katodnim zrake, ali ih one pobuđuju u staklenim stijenkama cijevi za pražnjenje”, napisao je Roentgen.

Također je utvrdio da se pobuđuju ne samo u staklu, već iu metalima.

Spominjući Hertz-Lenardovu hipotezu da su katodne zrake "fenomen koji se javlja u eteru", Roentgen ističe da "nešto slično možemo reći za naše zrake". Međutim, nije uspio otkriti valna svojstva zraka, one se "ponašaju drugačije od dosad poznatih ultraljubičastih, vidljivih, infracrvenih zraka." Po svom kemijskom i luminiscentnom djelovanju one su, prema Roentgenu, slične ultraljubičastim zrakama. poruku, izrazio je kasnije ostavljenu pretpostavku da to mogu biti longitudinalni valovi u eteru.

Roentgenovo otkriće izazvalo je veliko zanimanje znanstvenog svijeta. Njegovi pokusi ponovljeni su u gotovo svim laboratorijima u svijetu. U Moskvi ih je ponovio P.N. Lebedev. U Sankt Peterburgu, izumitelj radija A.S. Popov je eksperimentirao s X-zrakama, demonstrirao ih na javnim predavanjima, primao razne X-zrake. U Cambridgeu D.D. Thomson je odmah primijenio ionizirajuće djelovanje X-zraka za proučavanje prolaska elektriciteta kroz plinove. Njegovo istraživanje dovelo je do otkrića elektrona.

2. Poglavlje

X-zračenje - elektromagnetsko ionizirajuće zračenje koje zauzima područje spektra između gama i ultraljubičastog zračenja u valnim duljinama od 10 -4 do 10 3 (od 10 -12 do 10 -5 cm).R. l. s valnom duljinom λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - meko.

2.1 Izvori X-zraka

Najčešći izvor X-zraka je X-zraka. - elektrovakuumski uređaj služi kao izvor X-zraka. Takvo zračenje nastaje kada se elektroni koje emitira katoda uspore i udare u anodu (antikatodu); u tom se slučaju energija elektrona ubrzanih jakim električnim poljem u prostoru između anode i katode djelomično pretvara u energiju X-zraka. Zračenje rendgenske cijevi je superpozicija kočnog zračenja rendgenskih zraka na karakteristično zračenje materijala anode. Rendgenske cijevi razlikuju se: prema načinu dobivanja protoka elektrona - s termoemijskom (grijanom) katodom, elektroemisionom (šiljastom) katodom, katodom bombardiranom pozitivnim ionima i s radioaktivnim (β) izvorom elektrona; prema metodi vakumiranja - zapečaćena, sklopiva; prema vremenu zračenja - kontinuirano djelovanje, pulsno; prema vrsti hlađenja anode - s vodom, uljem, zrakom, hlađenjem zračenjem; prema veličini žarišta (područja zračenja na anodi) - makrofokus, oštar fokus i mikrofokus; prema obliku - prstenasta, okrugla, ravnala; prema metodi fokusiranja elektrona na anodu - s elektrostatskim, magnetskim, elektromagnetskim fokusiranjem.

X-zrake se koriste u strukturnoj analizi X-zraka (Prilog 1), rendgenska spektralna analiza, detekcija grešaka (Prilog 1), Rtg dijagnostika (Prilog 1), radioterapija , rendgenska mikroskopija i mikroradiografija. Zatvorene rendgenske cijevi s termioničkom katodom, vodom hlađenom anodom i elektrostatskim sustavom za fokusiranje elektrona imaju najveću primjenu u svim područjima (Dodatak 2). Termionska katoda rendgenskih cijevi obično je spiralna ili ravna nit volframove žice koja se zagrijava električnom strujom. Radni dio anode - metalna zrcalna površina - nalazi se okomito ili pod određenim kutom na protok elektrona. Za dobivanje kontinuiranog spektra rendgenskog zračenja visokih energija i intenziteta koriste se anode od Au, W; U strukturnoj analizi koriste se rendgenske cijevi s Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag anodama.

Glavne karakteristike rendgenskih cijevi su najveći dopušteni ubrzavajući napon (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). Učinkovitost rendgenske cijevi je 0,1-3%.

Neki radioaktivni izotopi također mogu poslužiti kao izvori X-zraka. : neki od njih izravno emitiraju X-zrake, nuklearno zračenje drugih (elektroni ili λ-čestice) bombardiraju metalnu metu, koja emitira X-zrake. Intenzitet rendgenskog zračenja izotopskih izvora je za nekoliko redova veličine manji od intenziteta zračenja rendgenske cijevi, ali su dimenzije, težina i cijena izotopskih izvora neusporedivo manji od onih s rendgenskom cijevi.

Sinkrotroni i prstenovi za pohranu elektrona s energijama od nekoliko GeV mogu poslužiti kao izvori mekog X-zraka s λ reda veličine desetaka i stotina. Po intenzitetu, rendgensko zračenje sinkrotrona premašuje zračenje rendgenske cijevi u određenom području spektra za 2-3 reda veličine.

Prirodni izvori X-zraka - Sunce i drugi svemirski objekti.

2.2 Svojstva X-zraka

Ovisno o mehanizmu nastanka X-zraka, njihovi spektri mogu biti kontinuirani (kočno zračenje) ili linijski (karakteristični). Kontinuirani rendgenski spektar emitiraju brze nabijene čestice kao rezultat njihovog usporavanja u interakciji s ciljnim atomima; ovaj spektar postiže značajan intenzitet samo kada je meta bombardirana elektronima. Intenzitet kočnog rendgenskog zračenja raspoređen je na sve frekvencije do visokofrekventne granice 0 , na kojoj je energija fotona h 0 (h je Planckova konstanta ) jednaka je energiji eV bombardirajućih elektrona (e je naboj elektrona, V je razlika potencijala polja koje ubrzava kroz njih). Ova frekvencija odgovara kratkovalnom rubu spektra 0 = hc/eV (c je brzina svjetlosti).

Linijsko zračenje nastaje nakon ionizacije atoma izbacivanjem elektrona iz jedne od njegovih unutarnjih ljuski. Takva ionizacija može biti rezultat sudara atoma s brzom česticom, poput elektrona (primarne x-zrake), ili apsorpcije fotona od strane atoma (fluorescentne x-zrake). Ionizirani atom nalazi se u početnom kvantnom stanju na jednoj od visokih energetskih razina i nakon 10 -16 -10 -15 sekundi prelazi u konačno stanje s nižom energijom. U tom slučaju atom može emitirati višak energije u obliku fotona određene frekvencije. Frekvencije linija spektra takvog zračenja karakteristične su za atome svakog elementa, stoga se linijski rendgenski spektar naziva karakterističnim. Ovisnost frekvencije linije ovog spektra o atomskom broju Z određena je Moseleyevim zakonom.

Moseleyev zakon, zakon koji povezuje frekvenciju spektralnih linija karakteristične emisije X-zraka nekog kemijskog elementa s njegovim rednim brojem. G. Moseley eksperimentalno instalirao 1913. godine. Prema Moseleyevom zakonu, kvadratni korijen frekvencije  spektralne linije karakterističnog zračenja nekog elementa je linearna funkcija njegovog rednog broja Z:

gdje je R Rydbergova konstanta , S n - konstanta probira, n - glavni kvantni broj. Na Moseleyevom dijagramu (Dodatak 3), ovisnost o Z je niz ravnih linija (K-, L-, M-, itd. serije koje odgovaraju vrijednostima n = 1, 2, 3,.).

Moseleyev zakon bio je neoboriv dokaz ispravnog rasporeda elemenata u periodnom sustavu elemenata DI. Mendeljejeva i pridonio rasvjetljavanju fizičkog značenja Z.

U skladu s Moseleyjevim zakonom, karakteristični spektri X-zraka ne pokazuju periodične uzorke svojstvene optičkim spektrima. To ukazuje da unutarnje elektronske ljuske atoma svih elemenata koji se pojavljuju u karakterističnim spektrima X-zraka imaju sličnu strukturu.

Kasniji eksperimenti otkrili su neka odstupanja od linearne ovisnosti za prijelazne skupine elemenata, povezana s promjenom redoslijeda popunjavanja vanjskih elektronskih ljuski, kao i za teške atome, koja se pojavljuju kao rezultat relativističkih učinaka (uvjetno objašnjenih činjenica da su brzine unutarnjih usporedive s brzinom svjetlosti).

Ovisno o nizu čimbenika - o broju nukleona u jezgri (izotonični pomak), stanju vanjskih elektronskih ljuski (kemijski pomak) itd. - položaj spektralnih linija na Moseleyevom dijagramu može se donekle promijeniti. Proučavanje ovih pomaka omogućuje dobivanje detaljnih informacija o atomu.

Bremsstrahlung X-zrake koje emitiraju vrlo tanke mete potpuno su polarizirane blizu 0; kako se 0 smanjuje, stupanj polarizacije se smanjuje. Karakteristično zračenje, u pravilu, nije polarizirano.

Kada X-zrake stupaju u interakciju s materijom, može doći do fotoelektričnog efekta. , prateći njegovu apsorpciju X-zraka i njihovo raspršivanje, fotoelektrični učinak se opaža kada atom, apsorbirajući foton X-zraka, izbaci jedan od svojih unutarnjih elektrona, nakon čega može napraviti radijacijski prijelaz, emitirajući foton karakterističnog zračenje, ili izbaciti drugi elektron tijekom nezračećeg prijelaza (Augerov elektron). Pod djelovanjem X-zraka na nemetalne kristale (na primjer, na kamenu sol), u nekim čvorovima atomske rešetke pojavljuju se ioni s dodatnim pozitivnim nabojem, au njihovoj blizini se pojavljuju višak elektrona. Takvi poremećaji u strukturi kristala nazivaju se ekscitoni X-zraka , su centri boja i nestaju samo sa značajnim porastom temperature.

Kada X-zrake prolaze kroz sloj tvari debljine x, njihov početni intenzitet I 0 opada na vrijednost I = I 0 e - μ x gdje je μ koeficijent slabljenja. Do slabljenja I dolazi zbog dva procesa: apsorpcije fotona X-zraka od strane tvari i promjene njihova smjera nakon raspršenja. U dugovalnom području spektra prevladava apsorpcija X-zraka, u kratkovalnom području njihovo raspršenje. Stupanj apsorpcije brzo raste s povećanjem Z i λ. Na primjer, tvrde X-zrake slobodno prodiru kroz sloj zraka ~ 10 cm; aluminijska ploča debljine 3 cm polovično prigušuje X-zrake s λ = 0,027; meke rendgenske zrake znatno se apsorbiraju u zraku te je njihova uporaba i proučavanje moguće samo u vakuumu ili u slabo apsorbirajućem plinu (npr. He). Kada se X-zrake apsorbiraju, atomi tvari se ioniziraju.

Učinak rendgenskih zraka na žive organizme može biti koristan ili štetan, ovisno o ionizaciji koju izazivaju u tkivima. Budući da apsorpcija X-zraka ovisi o λ, njihov intenzitet ne može služiti kao mjera biološkog učinka X-zraka. Mjerenja X-zraka koriste se za mjerenje utjecaja X-zraka na materiju. , mjerna jedinica je rendgen

Raspršenje X zraka u području velikih Z i λ događa se uglavnom bez promjene λ i naziva se koherentno raspršenje, dok se u području malih Z i λ u pravilu povećava (nekoherentno raspršenje). Postoje 2 vrste nekoherentnog raspršenja X-zraka - Compton i Raman. Kod Comptonovog raspršenja, koje ima karakter neelastičnoga korpuskularnog raspršenja, povratni elektron izleti iz atomske ljuske zbog energije koju je djelomično izgubio foton X-zraka. U tom slučaju energija fotona opada i njegov smjer se mijenja; promjena λ ovisi o kutu raspršenja. Tijekom ramanskog raspršenja fotona X-zraka visoke energije na atomu svjetlosti, mali dio njegove energije troši se na ionizaciju atoma i mijenja se smjer gibanja fotona. Promjena takvih fotona ne ovisi o kutu raspršenja.

Indeks loma n za x-zrake razlikuje se od 1 za vrlo mali iznos δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Fazna brzina X-zraka u mediju veća je od brzine svjetlosti u vakuumu. Devijacija rendgenskih zraka pri prijelazu iz jednog medija u drugi vrlo je mala (nekoliko lučnih minuta). Kada X-zrake iz vakuuma padaju na površinu tijela pod vrlo malim kutom, dolazi do njihove potpune vanjske refleksije.

2.3 Registracija X-zraka

Ljudsko oko nije osjetljivo na x-zrake. X-zraka

zrake se snimaju posebnim rendgenskim filmom koji sadrži povećanu količinu Ag, Br. U području 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 su zrna puno manja od zrna rendgenskog filma, što povećava rezoluciju. Kod λ reda desetaka i stotina X-zrake djeluju samo na najtanji površinski sloj fotografske emulzije; da bi se povećala osjetljivost filma, senzibilizira se luminiscentnim uljima. U rendgenskoj dijagnostici i detekciji grešaka elektrofotografija se ponekad koristi za snimanje rendgenskih zraka. (elektroradiografija).

X-zrake visokog intenziteta mogu se zabilježiti pomoću ionizacijske komore (prilog 4), rendgenske zrake srednjeg i niskog intenziteta na λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком s kristalom NaI (Tl) (prilog 5), na 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Prilog 6) i zalemljen proporcionalni brojač (Dodatak 7), na 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Prilog 8). U području vrlo velikih λ (od desetaka do 1000) za snimanje rendgenskih zraka mogu se koristiti sekundarni umnožači elektrona otvorenog tipa s različitim fotokatodama na ulazu.

2.4 Korištenje X-zraka

X-zrake se u medicini najviše koriste za rendgensku dijagnostiku. i radioterapije . Detekcija grešaka rendgenskim zrakama važna je za mnoge grane tehnologije. , na primjer, za otkrivanje unutarnjih nedostataka u odljevcima (ljuske, uključci troske), pukotina u tračnicama, nedostataka u zavarima.

Rentgenska strukturna analiza omogućuje vam uspostavljanje prostornog rasporeda atoma u kristalnoj rešetki minerala i spojeva, u anorganskim i organskim molekulama. Na temelju brojnih atomskih struktura koje su već dešifrirane može se riješiti i obrnuti problem: prema uzorku X-zraka polikristalna tvar, na primjer, legirani čelik, legura, ruda, mjesečevo tlo, može se ustanoviti kristalni sastav te tvari, tj. izvršena je fazna analiza. Brojne primjene R. l. radiografija materijala koristi se za proučavanje svojstava čvrstih tijela .

X-zraka mikroskopija omogućuje, na primjer, da se dobije slika stanice, mikroorganizma, da se vidi njihova unutarnja struktura. X-zraka spektroskopija pomoću spektra X-zraka proučava raspodjelu gustoće elektronskih stanja po energijama u različitim tvarima, istražuje prirodu kemijske veze i pronalazi efektivni naboj iona u čvrstim tijelima i molekulama. Spektralna rendgenska analiza položajem i intenzitetom linija karakterističnog spektra omogućuje vam određivanje kvalitativnog i kvantitativnog sastava tvari i koristi se za ekspresno nerazorno ispitivanje sastava materijala u metalurškim i cementnim tvornicama, pogonima za preradu. Pri automatizaciji ovih poduzeća koriste se spektrometri X-zraka i kvantometri kao senzori za sastav tvari.

X-zrake koje dolaze iz svemira nose informacije o kemijskom sastavu svemirskih tijela io fizičkim procesima koji se odvijaju u svemiru. Proučavanjem kozmičkih rendgenskih zraka bavi se rendgenska astronomija . Snažne X-zrake koriste se u radijacijskoj kemiji za poticanje određenih reakcija, polimerizacije materijala i pucanja organskih tvari. X-zrake se također koriste za otkrivanje starih slika skrivenih ispod sloja kasnog slikarstva, u prehrambenoj industriji za otkrivanje stranih predmeta koji su slučajno dospjeli u prehrambene proizvode, u forenzici, arheologiji itd.

Poglavlje 3

Jedan od glavnih zadataka rendgenske difrakcijske analize je određivanje stvarnog ili faznog sastava materijala. Metoda rendgenske difrakcije je izravna i odlikuje se visokom pouzdanošću, brzinom i relativnom jeftinošću. Metoda ne zahtijeva veliku količinu tvari, analiza se može provesti bez uništavanja dijela. Područja primjene kvalitativne fazne analize vrlo su raznolika kako za znanstvena istraživanja tako i za kontrolu u proizvodnji. Možete provjeriti sastav sirovina metalurške proizvodnje, produkata sinteze, prerade, rezultat faznih promjena tijekom termičke i kemijsko-termičke obrade, analizirati razne premaze, tanke filmove itd.

Svaku fazu, koja ima svoju kristalnu strukturu, karakterizira određeni skup diskretnih vrijednosti interplanarnih udaljenosti d/n od maksimuma i ispod, svojstvenih samo ovoj fazi. Kao što slijedi iz Wulf-Braggove jednadžbe, svaka vrijednost međuplanarne udaljenosti odgovara liniji na rendgenskom uzorku polikristalnog uzorka pod određenim kutom θ (pri zadanoj vrijednosti valne duljine λ). Stoga će određeni sustav linija (difrakcijski maksimumi) odgovarati određenom skupu interplanarnih udaljenosti za svaku fazu u rendgenskom difrakcijskom uzorku. Relativni intenzitet ovih linija u rendgenskom uzorku prvenstveno ovisi o strukturi faze. Stoga, određivanjem položaja linija na rendgenogramu (njegov kut θ) i poznavanjem valne duljine zračenja na kojem je rendgenski snimak snimljen, moguće je odrediti vrijednosti interplanarnih udaljenosti d/n pomoću Wulfa -Braggova formula:

/n = λ/ (2sin θ). (jedan)

Određivanjem skupa d/n za materijal koji se proučava i usporedbom s prethodno poznatim d/n podacima za čiste tvari, njihove različite spojeve, moguće je ustanoviti koju fazu sadrži dati materijal. Treba naglasiti da se određuju faze, a ne kemijski sastav, no o potonjem se ponekad može zaključiti ako postoje dodatni podaci o elementarnom sastavu pojedine faze. Zadatak kvalitativne fazne analize znatno je olakšan ako je poznat kemijski sastav materijala koji se proučava, jer je tada moguće napraviti preliminarne pretpostavke o mogućim fazama u ovom slučaju.

Ključ fazne analize je točno mjerenje d/n i intenziteta linije. Iako je to načelno lakše postići difraktometrom, fotometoda za kvalitativnu analizu ima neke prednosti, prvenstveno u osjetljivosti (mogućnost detekcije prisutnosti male količine faze u uzorku), kao i jednostavnosti eksperimentalnu tehniku.

Izračun d/n iz uzorka X-zraka provodi se pomoću Wulf-Braggove jednadžbe.

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 kutova difrakcije θ za sve linije X-zraka omogućuje vam izračunavanje d / n prema jednadžbi (1) i odvajanje β-linija (ako nije postojao filter za (β-zrake).

3.1. Analiza nesavršenosti kristalne strukture

Svi pravi monokristalni, a još više polikristalni materijali sadrže određene strukturne nedostatke (točkaste defekte, dislokacije, razne vrste međupovršina, mikro- i makronaprezanja), koji imaju vrlo snažan učinak na sva strukturno osjetljiva svojstva i procese.

Strukturne nesavršenosti uzrokuju izobličenja kristalne rešetke različite prirode i, kao rezultat, različite vrste promjena u difrakcijskom uzorku: promjena međuatomskih i međuplanarnih udaljenosti uzrokuje pomak u difrakcijskim maksimumima, mikronaprezanja i disperznost substrukture dovode do širenja difrakcijskih maksimuma, mikrodistorzija rešetke - do promjene intenziteta tih maksimuma, prisutnost dislokacija uzrokuje anomalije tijekom prolaska X-zraka i, posljedično, lokalne nehomogenosti kontrasta na X-zrakama topograma itd.

Kao rezultat toga, analiza rendgenske difrakcije jedna je od najinformativnijih metoda za proučavanje strukturnih nesavršenosti, njihove vrste i koncentracije te prirode njihove distribucije.

Tradicionalna izravna metoda difrakcije X-zraka, koja se provodi na stacionarnim difraktometrima, zbog svojih konstrukcijskih značajki omogućuje kvantitativno određivanje naprezanja i deformacija samo na malim uzorcima izrezanim iz dijelova ili predmeta.

Stoga trenutno postoji prijelaz sa stacionarnih na prijenosne rendgenske difraktometre male veličine, koji omogućuju procjenu naprezanja u materijalu dijelova ili predmeta bez razaranja u fazama njihove proizvodnje i rada.

Prijenosni rendgenski difraktometri serije DRP * 1 omogućuju kontrolu zaostalih i efektivnih naprezanja u velikim dijelovima, proizvodima i strukturama bez razaranja

Program u Windows okruženju omogućuje ne samo određivanje naprezanja metodom "sin 2 ψ" u stvarnom vremenu, već i praćenje promjene faznog sastava i teksture. Linearni koordinatni detektor omogućuje simultanu registraciju pri difrakcijskim kutovima 2θ = 43°. male rendgenske cijevi tipa "Fox" velike svjetline i niske snage (5 W) osiguravaju radiološku sigurnost uređaja, u kojem je na udaljenosti od 25 cm od područja zračenja razina zračenja jednaka prirodnu razinu pozadine. Uređaji serije DRP koriste se za određivanje naprezanja u različitim fazama oblikovanja metala, rezanja, brušenja, toplinske obrade, zavarivanja, površinskog kaljenja u svrhu optimizacije ovih tehnoloških operacija. Kontrola pada razine induciranih zaostalih tlačnih naprezanja u posebno kritičnim proizvodima i konstrukcijama tijekom njihovog rada omogućuje stavljanje proizvoda izvan upotrebe prije njegovog uništenja, sprječavajući moguće nesreće i katastrofe.

3.2 Analiza spektra

Uz određivanje atomske kristalne strukture i faznog sastava materijala, za njegovu potpunu karakterizaciju, obvezno je odrediti i njegov kemijski sastav.

U praksi se u te svrhe sve više koriste razne tzv. instrumentalne metode spektralne analize. Svaki od njih ima svoje prednosti i primjene.

Jedan od važnih zahtjeva u mnogim slučajevima je da korištena metoda osigurava sigurnost analiziranog objekta; Upravo se o ovim metodama analize raspravlja u ovom odjeljku. Sljedeći kriterij prema kojem su odabrane metode analize opisane u ovom odjeljku je njihova lokalitet.

Metoda fluorescentne rendgenske spektralne analize temelji se na prodiranju relativno jakog 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 omogućuje dobivanje prosječnih podataka o njegovom kemijskom sastavu.

Za određivanje elementarnog sastava tvari može se koristiti analiza karakterističnog rendgenskog spektra uzorka postavljenog na anodu rendgenske cijevi i podvrgnutog bombardiranju elektronima - emisijska metoda ili analiza spektra sekundarnog (fluorescentnog) rendgenskog zračenja uzorka podvrgnutog zračenju tvrdim rendgenskim zrakama iz rendgenske cijevi ili drugog izvora - fluorescentna metoda.

Nedostatak emisione metode je, prvo, potreba za postavljanjem uzorka na anodu rendgenske cijevi, nakon čega slijedi evakuacija vakuumskim pumpama; očito, ova metoda nije prikladna za topljive i hlapljive tvari. Drugi nedostatak je vezan uz činjenicu da se čak i vatrostalni predmeti oštećuju elektronskim bombardiranjem. Fluorescentna metoda je lišena ovih nedostataka i stoga ima mnogo širu primjenu. Prednost fluorescentne metode je i odsutnost kočnog zračenja, što poboljšava osjetljivost analize. Usporedba izmjerenih valnih duljina s tablicama spektralnih linija kemijskih elemenata osnova je kvalitativne analize, a relativni intenziteti spektralnih linija različitih elemenata koji tvore tvar uzorka temelj su kvantitativne analize. Iz razmatranja mehanizma pobude karakterističnog rendgenskog zračenja jasno je da zračenja jedne ili druge serije (K ili L, M, itd.) nastaju istovremeno, a omjer intenziteta linija unutar serije uvijek je konstantno. Stoga se prisutnost ovog ili onog elementa utvrđuje ne pojedinačnim linijama, već nizom linija u cjelini (osim najslabijih, uzimajući u obzir sadržaj ovog elementa). Za relativno lake elemente koristi se analiza vodova K-serije, za teške elemente, vodovi L-serije; pod različitim uvjetima (ovisno o korištenoj opremi i analiziranim elementima), različita područja karakterističnog spektra mogu biti najprikladnija.

Glavne značajke rendgenske spektralne analize su sljedeće.

Jednostavnost rendgenskih karakterističnih spektara čak i za teške elemente (u usporedbi s optičkim spektrima), što pojednostavljuje analizu (mali broj linija; sličnost u njihovom međusobnom rasporedu; s povećanjem rednog broja, pravilan pomak spektra prema javlja se područje kratke valne duljine; komparativna jednostavnost kvantitativne analize).

Neovisnost valnih duljina o stanju atoma analiziranog elementa (slobodni ili u kemijskom spoju). To je zbog činjenice da je pojava karakterističnog rendgenskog zračenja povezana s pobuđivanjem unutarnjih elektroničkih razina, koje se u većini slučajeva praktički ne mijenjaju sa stupnjem ionizacije atoma.

Mogućnost odvajanja u analizi rijetkih zemalja i nekih drugih elemenata koji imaju male razlike u spektrima u optičkom području zbog sličnosti elektroničke strukture vanjskih ljuski i vrlo se malo razlikuju po svojim kemijskim svojstvima.

Rendgenska fluorescentna spektroskopija je "nedestruktivna" pa ima prednost u odnosu na konvencionalnu optičku spektroskopiju pri analizi tankih uzoraka - tankog metalnog lima, folije itd.

X-zračni fluorescentni spektrometri, među kojima su višekanalni spektrometri ili kvantometri, koji omogućuju ekspresnu kvantitativnu analizu elemenata (od Na ili Mg do U) s pogreškom manjom od 1% utvrđene vrijednosti, pragom osjetljivosti od 10 -3 ... 10 -4 %.

rendgenska zraka

Metode određivanja spektralnog sastava rendgenskih zraka

Spektrometri se dijele na dvije vrste: kristalnodifrakcijski i bezkristalni.

Rastavljanje X-zraka na spektar pomoću prirodne difrakcijske rešetke - kristala - u biti je slično dobivanju spektra običnih svjetlosnih zraka pomoću umjetne difrakcijske rešetke u obliku periodičnih poteza na staklu. Uvjet za nastanak difrakcijskog maksimuma može se napisati kao uvjet "refleksije" od sustava paralelnih atomskih ravnina razdvojenih udaljenošću d hkl.

Prilikom provođenja kvalitativne analize, prisutnost elementa u uzorku može se procijeniti prema jednoj liniji - obično najintenzivnijoj liniji spektralnog niza prikladnoj za određeni kristal analizatora. Razlučivost kristalnih difrakcijskih spektrometra dovoljna je za odvajanje karakterističnih linija čak i elemenata susjednih položaja u periodnom sustavu elemenata. No, također je potrebno uzeti u obzir nametanje različitih linija različitih elemenata, kao i nametanje refleksija različitih redoslijeda. Ovu okolnost treba uzeti u obzir pri odabiru analitičkih linija. Pritom je potrebno iskoristiti mogućnosti poboljšanja razlučivosti uređaja.

Zaključak

Dakle, x-zrake su nevidljivo elektromagnetsko zračenje valne duljine 10 5 - 10 2 nm. X-zrake mogu prodrijeti kroz neke materijale koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Emitiraju se tijekom usporavanja brzih elektrona u tvari (kontinuirani spektar) i tijekom prijelaza elektrona s vanjskih elektronskih ljuski atoma na unutarnje (linearni spektar). Izvori rendgenskog zračenja su: rendgenska cijev, neki radioaktivni izotopi, akceleratori i akumulatori elektrona (sinhrotronsko zračenje). Prijemnici - film, luminiscentni ekrani, detektori nuklearnog zračenja. X-zrake se koriste u analizi difrakcije X-zraka, medicini, detekciji grešaka, spektralnoj analizi X-zraka itd.

Uzimajući u obzir pozitivne strane otkrića V. Roentgena, potrebno je istaknuti njegov štetan biološki učinak. Ispostavilo se da rendgenske zrake mogu izazvati nešto poput teške sunčane opekline (eritema), ali praćene dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji se pojavljuju često se pretvaraju u rak. U mnogim slučajevima morali su amputirati prste ili ruke. Bilo je i smrtnih slučajeva.

Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena i doze izloženosti, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. Ali postupno su otkriveni drugi, dugoročniji učinci izlaganja X-zrakama, koji su zatim potvrđeni i proučavani na pokusnim životinjama. Učinci rendgenskih zraka i drugih ionizirajućih zračenja (kao što su gama zrake koje emitiraju radioaktivni materijali) uključuju:

) privremene promjene u sastavu krvi nakon relativno malog prekomjernog izlaganja;

) nepovratne promjene u sastavu krvi (hemolitička anemija) nakon dugotrajnog prekomjernog izlaganja;

) povećanje učestalosti raka (uključujući leukemiju);

) brže starenje i rana smrt;

) pojava katarakte.

Biološki učinak X-zraka na ljudski organizam određen je razinom doze zračenja, kao i time koji je organ u tijelu bio izložen zračenju.

Akumulacija znanja o učincima rendgenskog zračenja na ljudsko tijelo dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dopuštene doze zračenja, objavljenih u raznim priručnicima.

Kako bi se izbjegli štetni učinci X-zraka, koriste se metode kontrole:

) dostupnost odgovarajuće opreme,

) praćenje poštivanja sigurnosnih propisa,

) ispravna uporaba opreme.

Popis korištenih izvora

1) Blokhin M.A., Fizika X-zraka, 2. izdanje, M., 1957.;

) Blokhin M.A., Metode spektralnih studija X-zraka, M., 1959;

) X-zrake. sub. izd. M.A. Blokhin, prev. s njim. i engleski, M., 1960;

) Kharaja F., Opći tečaj rendgenskog inženjerstva, 3. izdanje, M. - L., 1966.;

) Mirkin L.I., Priručnik za analizu rendgenske difrakcije polikristala, M., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Referentne tablice spektroskopije X-zraka, M., 1953.

) Rentgenska i elektronskooptička analiza. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Dodatak za sveučilišta. - 4. izd. Dodati. I prerađivač. - M.: "MISiS", 2002. - 360 str.

Prijave

Prilog 1

Opći pogled na rendgenske cijevi

Prilog 2

Shema rendgenske cijevi za strukturnu analizu

Shema rendgenske cijevi za strukturnu analizu: 1 - staklo metalne anode (obično uzemljeno); 2 - prozori od berilija za izlaz rendgenskih zraka; 3 - termionska katoda; 4 - staklena žarulja, koja izolira anodni dio cijevi od katode; 5 - katodni terminali, na koje se primjenjuje napon niti, kao i visoki (u odnosu na anodu) napon; 6 - elektrostatski sustav za fokusiranje elektrona; 7 - anoda (antikatoda); 8 - grana cijevi za ulaz i izlaz tekuće vode koja hladi anodno staklo.

Prilog 3

Moseleyev dijagram

Moseleyjev dijagram za K-, L- i M-serije karakterističnih X-zraka. Na apscisi je redni broj elementa Z, na ordinati - ( S je brzina svjetlosti).

Dodatak 4

Ionizacijska komora.

Sl. 1. Presjek cilindrične ionizacijske komore: 1 - cilindrično tijelo komore, koje služi kao negativna elektroda; 2 - cilindrična šipka koja služi kao pozitivna elektroda; 3 - izolatori.

Riža. 2. Shema uključivanja struje ionizacijske komore: V - napon na elektrodama komore; G je galvanometar koji mjeri ionizacijsku struju.

Riža. 3. Strujno-naponska karakteristika ionizacijske komore.

Riža. 4. Shema uključivanja impulsne ionizacijske komore: C - kapacitet sabirne elektrode; R je otpor.

Prilog 5

Scintilacijski brojač.

Shema scintilacijskog brojača: svjetlosni kvanti (fotoni) "izbijaju" elektrone iz fotokatode; krećući se od dinode do dinode, lavina elektrona se umnožava.

Dodatak 6

Geiger-Mullerov brojač.

Riža. 1. Shema staklenog Geiger-Mullerovog brojača: 1 - hermetički zatvorena staklena cijev; 2 - katoda (tanki sloj bakra na cijevi od nehrđajućeg čelika); 3 - izlaz katode; 4 - anoda (tanka rastegnuta nit).

Riža. 2. Shema uključivanja Geiger-Mullerovog brojača.

Riža. 3. Brojna karakteristika Geiger-Mullerovog brojača.

Prilog 7

proporcionalni brojač.

Shema proporcionalnog brojača: a - područje drifta elektrona; b - područje pojačanja plina.

Prilog 8

Poluvodički detektori

Poluvodički detektori; osjetljivo područje istaknuto je šrafiranjem; n - područje poluvodiča s elektronskom vodljivošću, p - s rupom, i - s vlastitom vodljivošću; a - silikonski detektor površinske barijere; b - drift germanij-litij planarni detektor; c - germanij-litij koaksijalni detektor.

PREDAVANJE

RTG ZRAČENJE

Priroda X-zraka

Rendgen kočnog zračenja, njegova spektralna svojstva.

Karakteristično rendgensko zračenje (za pregled).

Međudjelovanje X-zračenja s materijom.

Fizikalne osnove primjene X-zraka u medicini.

X-zrake (X - zrake) otkrio je K. Roentgen, koji je 1895. postao prvi nobelovac za fiziku.

Priroda X-zraka

rendgensko zračenje - elektromagnetski valovi duljine od 80 do 10 -5 nm. Dugovalno rendgensko zračenje pokriva kratkovalno UV zračenje, a kratkovalno zračenje dugovalno  zračenje.

X-zrake se proizvode u rendgenskim cijevima. Sl. 1.

K - katoda

1 - elektronski snop

2 - X-zračenje

Riža. 1. Uređaj s rendgenskom cijevi.

Cijev je staklena tikvica (s mogućim visokim vakuumom: tlak u njoj je oko 10–6 mm Hg) s dvije elektrode: anodom A i katodom K, na koje se dovodi visoki napon U (nekoliko tisuća volti). Katoda je izvor elektrona (zbog fenomena termionske emisije). Anoda je metalna šipka koja ima nagnutu površinu kako bi se rezultirajuće rendgensko zračenje usmjerilo pod kutom u odnosu na os cijevi. Izrađen je od materijala visoke toplinske vodljivosti za uklanjanje topline nastale tijekom bombardiranja elektronima. Na zakošenom kraju nalazi se ploča od vatrostalnog metala (na primjer, volfram).

Snažno zagrijavanje anode nastaje zbog činjenice da glavni broj elektrona u katodnom snopu, udarivši u anodu, doživljava brojne sudare s atomima tvari i prenosi im veliku količinu energije.

Pod djelovanjem visokog napona, elektroni koje emitira vruća katodna nit se ubrzavaju do visokih energija. Kinetička energija elektrona jednaka je mv 2 /2. Jednaka je energiji koju dobiva gibajući se 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 posljedica su intenzivnog usporavanja elektrona u materijalu anode elektrostatskim poljem atomske jezgre i atomskih elektrona.

Mehanizam nastanka može se predstaviti na sljedeći način. Pokretni elektroni su neka vrsta struje koja formira vlastito magnetsko polje. Usporenje elektrona je smanjenje jakosti struje i, sukladno tome, promjena indukcije magnetskog polja, što će uzrokovati pojavu izmjeničnog električnog polja, tj. pojava elektromagnetskog vala.

Dakle, kada nabijena čestica uleti u materiju, ona usporava, gubi energiju i brzinu te emitira elektromagnetske valove.

Spektralna svojstva kočnog zračenja X zraka .

Dakle, u slučaju usporavanja elektrona u materijalu anode, kočno zračenje.

Spektar kočnog zračenja je kontinuiran. Razlog tome je sljedeći.

Kada se elektroni usporavaju, svaki od njih dio energije koristi za zagrijavanje anode (E 1 \u003d Q), drugi dio za stvaranje fotona X-zraka (E 2 \u003d hv), inače, eU \u003d hv + P. Omjer između ovih dijelova je slučajan.

Dakle, kontinuirani spektar kočnog zračenja X-zraka nastaje zbog usporavanja mnogih elektrona, od kojih svaki emitira jedan kvant X-zraka hv (h) strogo određene vrijednosti. Vrijednost ovog kvantuma različite za različite elektrone. Ovisnost toka energije X-zraka o valnoj duljini , t.j. rendgenski spektar prikazan je na sl.2.

sl.2. Spektar kočnog zračenja: a) pri različitim naponima U u cijevi; b) pri različitim temperaturama T katode.

Kratkovalno (tvrdo) zračenje ima veću prodornu moć od dugovalnog (mekog) zračenja. Blago zračenje jače apsorbira materija.

Sa strane kratkih valnih duljina, spektar naglo završava na određenoj valnoj duljini  m i n . Takvo kočno zračenje kratke valne duljine događa se kada se energija koju dobije elektron u ubrzavajućem polju potpuno pretvori u energiju fotona (Q = 0):

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

 min (nm) = 1,23/UkV

Spektralni sastav zračenja ovisi o naponu na rendgenskoj cijevi, s porastom napona vrijednost  m i n pomiče se prema kratkim valnim duljinama (slika 2a).

Kada se promijeni temperatura T užarenosti katode, povećava se emisija elektrona. Posljedično, struja I u cijevi raste, ali se spektralni sastav zračenja ne mijenja (slika 2b).

Energetski tok kočnog zračenja F  izravno je proporcionalan kvadratu napona U između anode i katode, jakosti struje I u cijevi i atomskom broju Z supstance anode:

F = kZU 2 I. (3)

gdje je k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Karakteristične X-zrake (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 specifično je za materijal anode.

Mehanizam njegovog nastanka je sljedeći. Pri visokom naponu, ubrzani elektroni (s velikom energijom) prodiru duboko u atom i izbacuju elektrone iz njegovih unutarnjih slojeva. Elektroni s gornjih razina prelaze na slobodna mjesta, pri čemu se emitiraju fotoni karakterističnog zračenja.

Spektri karakterističnog rendgenskog zračenja razlikuju se od optičkih spektara.

- Ujednačenost.

Ujednačenost karakterističnih spektara posljedica je činjenice da su unutarnji slojevi elektrona različitih atoma isti i razlikuju se samo energetski zbog djelovanja sile iz jezgri, koja se povećava s povećanjem broja elemenata. Stoga se karakteristični spektri pomiču prema višim frekvencijama s povećanjem nuklearnog naboja. To je eksperimentalno potvrdio zaposlenik Roentgena - Moseley, koji je izmjerio prijelazne frekvencije rendgenskih zraka za 33 elementa. Oni su napravili zakon.

MOSELYEV 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 emitirajućeg elementa. A, B su konstante.

Važnost Moseleyeva zakona leži u činjenici da se ovom ovisnošću može točno odrediti atomski broj elementa koji se proučava iz izmjerene frekvencije linije X-zraka. To je odigralo veliku ulogu u rasporedu elemenata u periodnom sustavu.

Neovisnost o kemijskom spoju.

Karakteristični rendgenski spektri atoma ne ovise o kemijskom spoju u koji ulazi atom elementa. Na primjer, rendgenski spektar atoma kisika je isti za O 2, H 2 O, dok se optički spektri ovih spojeva razlikuju. Ova značajka rendgenskog spektra atoma bila je osnova za naziv " karakteristično zračenje".

Međudjelovanje X-zračenja s materijom

Utjecaj rendgenskog zračenja na objekte određen je primarnim procesima interakcije rendgenskih zraka. foton s elektronima atomi i molekule tvari.

X-zračenje u tvari apsorbiran ili rasipa se. U tom slučaju mogu se dogoditi različiti procesi koji su određeni omjerom energije fotona X zraka hv i energije ionizacije Au (energija ionizacije Au je energija potrebna za uklanjanje unutarnjih elektrona iz atoma ili molekule).

a) Koherentno raspršenje(raspršenje dugovalnog zračenja) nastaje kada odnos

Kod fotona se zbog interakcije s elektronima mijenja samo smjer gibanja (sl. 3a), ali se ne mijenjaju energija hv i valna duljina (stoga se to raspršenje naziva koherentan). Budući da se energije fotona i atoma ne mijenjaju, koherentno raspršenje ne utječe na biološke objekte, ali pri stvaranju zaštite od rendgenskog zračenja treba voditi računa o mogućnosti promjene primarnog smjera snopa.

b) fotoelektrični efekt događa se kada

U ovom slučaju mogu se ostvariti dva slučaja.

Foton se apsorbira, elektron se odvaja od atoma (slika 3b). Dolazi do ionizacije. Odvojeni elektron dobiva kinetičku energiju: E k \u003d hv - A i. Ako je kinetička energija velika, tada elektron može sudarom ionizirati susjedne atome, stvarajući nove. sekundarni elektroni.

Foton se apsorbira, ali njegova energija nije dovoljna da odvoji elektron, i pobuda atoma ili molekule(Slika 3c). To često dovodi do naknadne emisije fotona u vidljivom području zračenja (rendgenska luminiscencija), au tkivima - do aktivacije molekula i fotokemijskih reakcija. Fotoelektrični učinak javlja se uglavnom na elektronima unutarnjih ljuski atoma s visokim Z.

u) Nekoherentno raspršenje(Comptonov efekt, 1922.) nastaje kada je energija fotona puno veća od energije ionizacije

U tom slučaju dolazi do odvajanja elektrona od atoma (takvi se elektroni nazivaju povratni elektroni), dobije neku kinetičku energiju E k, energija samog fotona opada (sl. 4d):

hv=hv" + A i + E k. (5)

Rezultirajuće zračenje promijenjene frekvencije (duljine) naziva se sekundarni, rasipa se na sve strane.

Povratni elektroni, ako imaju dovoljnu kinetičku energiju, mogu sudarom ionizirati susjedne atome. Dakle, kao rezultat nekoherentnog raspršenja nastaje sekundarno raspršeno rendgensko zračenje i dolazi do ionizacije atoma tvari.

Ovi (a, b, c) procesi mogu uzrokovati brojne naknadne. Na primjer (Sl. 3d), ako se tijekom fotoelektričnog efekta elektroni odvoje od atoma na unutarnjim ljuskama, tada elektroni s viših razina mogu prijeći na svoje mjesto, što je popraćeno sekundarnim karakterističnim rendgenskim zračenjem ove tvari. Fotoni sekundarnog zračenja, u interakciji s elektronima susjednih atoma, mogu zauzvrat uzrokovati sekundarne pojave.

koherentno raspršenje

uh energija i valna duljina ostaju nepromijenjene

fotoelektrični efekt

foton se apsorbira, e – odvaja od atoma – ionizacija

hv \u003d A i + E do

atom A pobuđuje se nakon apsorpcije fotona, R je luminiscencija X-zraka

nekoherentno raspršenje

hv \u003d hv "+ A i + E do

sekundarni procesi u fotoelektričnom efektu

Riža. 3 Mehanizmi interakcije X-zraka s materijom

Fizikalne osnove primjene X-zraka u medicini

Kada X-zrake padnu na tijelo, malo se reflektiraju od njegove površine, ali uglavnom prolaze duboko, dok se djelomično apsorbiraju i raspršuju, a djelomično prolaze.

Zakon slabljenja.

Tok X-zraka prigušuje se u materiji prema zakonu:

F \u003d F 0 e -   x (6)

gdje je  linearan faktor prigušenja,što bitno ovisi o gustoći tvari. Jednak je zbroju triju članova koji odgovaraju koherentnom raspršenju  1, nekoherentnom  2 i fotoelektričnom učinku  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Doprinos svakog člana određen je energijom fotona. Ispod su omjeri ovih procesa za meka tkiva (voda).

uživati koeficijent prigušenja mase, koja ne ovisi o gustoći tvari :

m = /. (osam)

Maseni koeficijent slabljenja ovisi o energiji fotona i atomskom broju tvari koja apsorbira:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Maseni koeficijenti slabljenja kosti i mekog tkiva (voda) su različiti:  m kost /  m voda = 68.

Ako se na putu X-zraka postavi nehomogeno tijelo, a ispred njega fluorescentni zaslon, tada to tijelo, upijajući i prigušujući zračenje, stvara sjenu na ekranu. Po prirodi ove sjene može se prosuditi oblik, gustoća, struktura, au mnogim slučajevima i priroda tijela. Oni. značajna razlika u apsorpciji rendgenskog zračenja različitim tkivima omogućuje vam da vidite sliku unutarnjih organa u projekciji sjene.

Ako organ koji se proučava i okolna tkiva jednako slabe rendgenske zrake, tada se koriste kontrastna sredstva. Tako, na primjer, punjenjem želuca i crijeva kašastom masom barijevog sulfata (BaSO 4 ) može se vidjeti njihova slika u sjeni (omjer koeficijenata prigušenja je 354).

Upotreba u medicini.

U medicini se za dijagnostiku koristi rendgensko zračenje s energijom fotona od 60 do 100-120 keV, a za terapiju 150-200 keV.

rendgenska dijagnostika – Prepoznavanje bolesti prosvjetljavanjem tijela rendgenskim zrakama.

Rentgenska dijagnostika se koristi u različitim opcijama, koje su navedene u nastavku.

Uz fluoroskopiju rendgenska cijev se nalazi iza pacijenta. Ispred njega je fluorescentni ekran. Na ekranu je sjena (pozitivna) slika. U svakom pojedinačnom slučaju odabrana je odgovarajuća tvrdoća zračenja tako da ono prolazi kroz meka tkiva, ali da ga gusta dovoljno apsorbiraju. Inače se dobiva jednolika sjena. Na ekranu, srce, rebra su vidljivi tamni, pluća su svijetla.

Kada radiografija predmet se postavlja na kasetu, koja sadrži film s posebnom fotografskom emulzijom. Rendgenska cijev se postavlja preko objekta. Rezultirajuća radiografija daje negativnu sliku, t.j. suprotno u odnosu na sliku opaženu tijekom transiluminacije. Kod ove metode postoji veća jasnoća slike nego kod (1), stoga se uočavaju detalji koji su teško vidljivi prosvjetljenim.

Obećavajuća varijanta ove metode je X-zraka tomografija i "strojna verzija" - računalo tomografija.

3. Uz fluoroskopiju, Na osjetljivom filmu malog formata slika s velikog platna je fiksirana. Kada se gledaju, slike se ispituju na posebnom povećalu.

Terapija X-zrakama- korištenje X-zraka za uništavanje malignih tumora.

Biološki učinak zračenja je poremećaj vitalne aktivnosti, osobito stanica koje se brzo razmnožavaju.

KOMPJUTERSKA TOMOGRAFIJA (CT)

Metoda rendgenske kompjutorizirane tomografije temelji se na rekonstrukciji slike određenog dijela tijela pacijenta registracijom velikog broja rendgenskih projekcija tog dijela, napravljenih pod različitim kutovima. Informacije sa senzora koji registriraju te projekcije ulaze u računalo koje prema posebnom programu izračunava distribucija tijesnoveličina uzorka u istraživanom dijelu i prikazuje ga na zaslonu. Ovako dobivena slika presjeka pacijentovog tijela odlikuje se izvrsnom jasnoćom i visokom informativnošću. Program vam omogućuje da povećati kontrast slike u desetke pa čak i stotine puta. Time se proširuju dijagnostičke mogućnosti metode.

Videografi (uređaji za digitalnu obradu rendgenske slike) u suvremenoj stomatologiji.

U stomatologiji rendgenski pregled je glavna dijagnostička metoda. Međutim, niz tradicionalnih organizacijskih i tehničkih značajki rendgenske dijagnostike čini je neudobnom kako za pacijenta tako i za stomatološke klinike. To je, prije svega, potreba pacijenta da dođe u kontakt s ionizirajućim zračenjem, što često stvara značajno radijacijsko opterećenje tijela, to je također potreba za fotoprocesom, a posljedično i potreba za fotoreagensima, uključujući one otrovne. Ovo je, konačno, glomazna arhiva, teški fascikli i omotnice s rendgenskim filmovima.

Osim toga, trenutni stupanj razvoja stomatologije čini subjektivnu procjenu rendgenskih snimaka ljudskim okom nedovoljnom. Kako se pokazalo, od niza nijansi sive sadržane u rendgenskoj slici, oko percipira samo 64.

Očito, da bi se dobila jasna i detaljna slika tvrdih tkiva dentoalveolarnog sustava uz minimalno izlaganje zračenju, potrebna su druga rješenja. Potraga je dovela do stvaranja takozvanih radiografskih sustava, videografa - digitalnih radiografskih sustava.

Bez tehničkih detalja, princip rada takvih sustava je sljedeći. X-zrake ulaze kroz objekt ne na fotoosjetljivom filmu, već na posebnom intraoralnom senzoru (posebnoj elektroničkoj matrici). Odgovarajući signal iz matrice prenosi se u uređaj za digitalizaciju (analogno-digitalni pretvarač, ADC) koji ga pretvara u digitalni oblik i povezuje se s računalom. Poseban softver gradi rendgensku sliku na zaslonu računala i omogućuje vam da je obradite, spremite na tvrdi ili fleksibilni medij za pohranu (tvrdi disk, diskete), ispišete kao sliku kao datoteku.

U digitalnom sustavu, rendgenska slika skup je točaka koje imaju različite digitalne vrijednosti sivih tonova. Optimizacija prikaza informacija koju pruža program omogućuje dobivanje optimalnog okvira u smislu svjetline i kontrasta uz relativno nisku dozu zračenja.

U modernim sustavima, koje su stvorili, na primjer, Trophy (Francuska) ili Schick (SAD), 4096 nijansi sive koristi se pri oblikovanju okvira, vrijeme ekspozicije ovisi o predmetu proučavanja i, u prosjeku, iznosi stotinke - desetinke drugo, smanjenje izloženosti zračenju u odnosu na film - do 90% za intraoralne sustave, do 70% za panoramske videografe.

Prilikom obrade slika videografi dopuštaju:

Dobijte pozitivne i negativne slike, lažne slike u boji, reljefne slike.

Povećajte kontrast i povećajte područje interesa na slici.

Procijeniti promjene u gustoći zubnih tkiva i koštanih struktura, kontrolirati ujednačenost punjenja kanala.

U endodonciji odredite duljinu kanala bilo koje zakrivljenosti, au kirurgiji odaberite veličinu implantata s točnošću od 0,1 mm.

Jedinstveni sustav detektora karijesa s elementima umjetne inteligencije tijekom analize slike omogućuje otkrivanje karijesa u stadiju mrlje, karijesa korijena i skrivenog karijesa.

"F" u formuli (3) odnosi se na cijeli raspon zračenih valnih duljina i često se naziva "Integral Energy Flux".

Otkriće i zasluga u proučavanju osnovnih svojstava X-zraka s pravom pripada njemačkom znanstveniku Wilhelmu Conradu Roentgenu. Nevjerojatna svojstva X-zraka koje je otkrio odmah su dobila veliki odjek u znanstvenom svijetu. Iako je tada, davne 1895. godine, znanstvenik teško mogao zamisliti kakvu korist, a ponekad i štetu, mogu donijeti X-zrake.

Kako ova vrsta zračenja utječe na ljudsko zdravlje saznajmo u ovom članku.

Što je rendgensko zračenje

Prvo pitanje koje je zanimalo istraživača bilo je što je rendgensko zračenje? Niz eksperimenata omogućio je provjeru da se radi o elektromagnetskom zračenju s valnom duljinom od 10 -8 cm, koje zauzima srednji položaj između ultraljubičastog i gama zračenja.

Primjena X-zraka

Svi ti aspekti razornog djelovanja tajanstvenih X-zraka uopće ne isključuju iznenađujuće široke aspekte njihove primjene. Gdje se koristi X-zrake?

1. Proučavanje strukture molekula i kristala.
2. Rentgenska detekcija grešaka (u industriji detekcija grešaka na proizvodima).
3. Metode medicinskog istraživanja i terapije.

Najvažnije primjene X-zraka postale su moguće zahvaljujući vrlo kratkim valnim duljinama cijelog raspona ovih valova i njihovim jedinstvenim svojstvima.

Budući da nas zanima utjecaj X-zraka na ljude koji se s njima susreću samo tijekom liječničkog pregleda ili liječenja, tada ćemo razmotriti samo ovo područje primjene X-zraka.

Primjena rendgenskih zraka u medicini

Unatoč posebnom značaju svog otkrića, Roentgen nije patentirao njegovu upotrebu, što ga čini neprocjenjivim darom za cijelo čovječanstvo. Već u Prvom svjetskom ratu počeli su se koristiti rendgenski uređaji koji su omogućili brzu i točnu dijagnostiku ranjenika. Sada možemo razlikovati dva glavna područja primjene X-zraka u medicini:

• rendgenska dijagnostika;
• rentgenska terapija.

rendgenska dijagnostika

Rentgenska dijagnostika se koristi u različitim opcijama:

Pogledajmo razliku između ovih metoda.

Sve ove dijagnostičke metode temelje se na sposobnosti rendgenskog zračenja da osvijetli film i na njihovoj različitoj propusnosti za tkiva i koštani skelet.

Terapija X-zrakama

Sposobnost rendgenskih zraka da imaju biološki učinak na tkiva koristi se u medicini za liječenje tumora. Ionizirajuće djelovanje ovog zračenja najaktivnije se očituje u djelovanju na stanice koje se brzo dijele, a to su stanice malignih tumora.

Međutim, trebali biste također biti svjesni nuspojava koje neizbježno prate radioterapiju. Činjenica je da se stanice hematopoetskog, endokrinog i imunološkog sustava također brzo dijele. Negativan utjecaj na njih izaziva znakove radijacijske bolesti.

Učinak X-zračenja na čovjeka

Ubrzo nakon izvanrednog otkrića X-zraka, otkriveno je da X-zrake imaju učinak na ljude.

Ovi su podaci dobiveni pokusima na pokusnim životinjama, no genetičari sugeriraju da bi se slični učinci mogli odnositi i na ljudsko tijelo.

Proučavanje učinaka izloženosti X-zrakama dovelo je do razvoja međunarodnih standarda za prihvatljive doze zračenja.

Doze rendgenskog zračenja u rendgenskoj dijagnostici

Nakon posjete rendgenskoj sobi, mnogi pacijenti su zabrinuti - kako će primljena doza zračenja utjecati na njihovo zdravlje?

Doza općeg zračenja tijela ovisi o prirodi zahvata. Radi praktičnosti, usporedit ćemo primljenu dozu s prirodnom izloženošću, koja prati osobu tijekom cijelog života.

1. RTG: prsa - primljena doza zračenja je ekvivalentna 10 dana pozadinskog izlaganja; gornji dio želuca i tanko crijevo - 3 godine.
2. Kompjuterizirana tomografija trbušne šupljine i zdjelice, kao i cijelog tijela - 3 godine.
3. Mamografija - 3 mjeseca.
4. Radiografija ekstremiteta je praktički bezopasna.
5. Što se tiče rendgenskog snimanja 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 prije rendgenskog snimanja osjeća tjeskobu, ima pravo tražiti posebnu zaštitnu pregaču.

Izlaganje trudnica X-zrakama

Svaka osoba mora više puta biti podvrgnuta rendgenskom pregledu. Ali postoji pravilo - ova dijagnostička metoda ne može se propisati trudnicama. Embrij u razvoju izuzetno je ranjiv. X-zrake mogu uzrokovati kromosomske abnormalnosti i, kao posljedicu, rađanje djece s malformacijama. Najosjetljivija u tom pogledu je gestacijska dob do 16 tjedana. Štoviše, najopasniji za buduću bebu je rendgenski snimak kralježnice, zdjelice i trbušne regije.

Znajući za štetan učinak rendgenskog zračenja na trudnoću, liječnici ga na sve moguće načine izbjegavaju koristiti u ovom ključnom razdoblju u životu žene.

Međutim, postoje sporedni izvori X-zraka:

• elektronski mikroskopi;
• televizijski kineskopi u boji itd.

Buduće majke trebaju biti svjesne opasnosti koju predstavljaju.

Za dojilje radiodijagnostika nije opasna.

Što učiniti nakon rendgenske snimke

Kako biste izbjegli čak i minimalne učinke izlaganja X-zrakama, možete poduzeti neke jednostavne korake:

• nakon rendgenske snimke popijte čašu mlijeka - uklanja male doze zračenja;
• vrlo zgodno uzimanje čaše suhog vina ili soka od grožđa;
• neko vrijeme nakon postupka, korisno je povećati udio hrane s visokim sadržajem joda (plodovi mora).

No, za uklanjanje zračenja nakon rendgenske snimke nisu potrebni nikakvi medicinski zahvati niti posebne mjere!

Unatoč nedvojbeno ozbiljnim posljedicama izlaganja X-zrakama, ne treba precjenjivati ​​njihovu opasnost tijekom liječničkih pregleda - oni se provode samo na određenim dijelovima tijela i to vrlo brzo. Njihova korist mnogo puta premašuje rizik od ovog postupka za ljudsko tijelo.

X-zrake (sinonim za X-zrake) su širokog raspona valnih duljina (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). X-zračenje nastaje kada se nabijene čestice, najčešće elektroni, usporavaju u električnom polju atoma tvari. Rezultirajući kvanti imaju različite energije i tvore kontinuirani spektar. Maksimalna energija fotona u takvom spektru jednaka je energiji upadnih elektrona. U (vidi) maksimalna energija kvanta X-zraka, izražena u kiloelektron-voltima, numerički je jednaka veličini napona primijenjenog na cijev, izraženom u kilovoltima. Kada prolaze kroz tvar, X-zrake stupaju u interakciju s elektronima njezinih atoma. Za kvante rendgenskih zraka s energijama do 100 keV najkarakterističniji tip interakcije je fotoelektrični efekt. Kao rezultat takve interakcije, kvantna energija se u potpunosti troši na izvlačenje elektrona iz atomske ljuske i predaju mu kinetičke energije. S porastom energije kvanta X-zraka smanjuje se vjerojatnost fotoelektričnog efekta i prevladava proces raspršenja kvanta na slobodnim elektronima - takozvani Comptonov efekt. Kao rezultat takve interakcije nastaje i sekundarni elektron, a uz to izleti kvant s energijom manjom od energije primarnog kvanta. Ako energija kvanta X-zraka prelazi jedan megaelektron-volt, može doći do takozvanog efekta uparivanja, u kojem nastaju elektron i pozitron (vidi). Posljedično, kada prolazi kroz tvar, energija rendgenskog zračenja se smanjuje, odnosno smanjuje se njegov intenzitet. Budući da je veća vjerojatnost da će se u ovom slučaju apsorbirati kvanti niske energije, rendgensko zračenje je obogaćeno kvantima više energije. Ovo svojstvo rendgenskog zračenja koristi se za povećanje prosječne energije kvanta, tj. za povećanje njegove krutosti. Povećanje tvrdoće rendgenskog zračenja postiže se pomoću posebnih filtara (vidi). X-zračenje se koristi za rendgensku dijagnostiku (vidi) i (vidi). Vidi također Ionizirajuće zračenje.

X-zrake (sinonim: x-zrake, x-zrake) - kvantno elektromagnetsko zračenje valne duljine 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 elektromagnetskog zračenja u blizini x-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 golemog spektra elektromagnetskog zračenja, koji uključuje i radio valove i vidljivu svjetlost, rendgensko zračenje, kao i svako elektromagnetsko zračenje, širi se brzinom svjetlosti (oko 300 tisuća km/s u vakuumu ) i karakterizirana je valnom duljinom λ (udaljenost preko koje se zračenje širi u jednoj periodi titranja). X-zračenje ima i niz drugih valnih svojstava (lom, interferencija, difrakcija), ali ih je puno teže promatrati nego kod zračenja dužih valnih duljina: 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 s 1 mm Cu, a2 - spektar filtriran s 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 komuniciraju s atomima anodne tvari. Postoje dvije vrste rendgenskih zraka: kočno zračenje i karakteristično. Kočno zračenje X-zraka, koje ima kontinuirani spektar, slično je običnoj bijeloj svjetlosti. Raspodjela intenziteta ovisno o valnoj duljini (sl.) predstavljena je krivuljom s maksimumom; u smjeru dugih valova krivulja blago pada, a u smjeru kratkih valova strmo i lomi se na određenoj valnoj duljini (λ0), koja se naziva kratkovalna granica kontinuiranog spektra. Vrijednost λ0 obrnuto je proporcionalna naponu na cijevi. Kočno zračenje nastaje interakcijom brzih elektrona s atomskim jezgrama. Intenzitet kočnog zračenja izravno je proporcionalan jakosti anodne struje, kvadratu napona cijevi i atomskom broju (Z) materijala anode.

Ako energija elektrona ubrzanih u rendgenskoj cijevi prijeđe kritičnu vrijednost za tvar anode (ta je energija određena naponom cijevi Vcr, koji je kritičan za tu tvar), dolazi do karakterističnog zračenja. Karakteristični spektar je linija, njegove spektralne linije tvore niz, označen slovima K, L, M, N.

Serija K je najkraća valna duljina, serija L je duža valna duljina, serije M i N se promatraju 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 izbacuju atomske elektrone iz unutarnjih ljuski. Atom je pobuđen i zatim se vraća u osnovno stanje. U tom slučaju elektroni iz vanjskih, slabije vezanih ljuski ispunjavaju prazne prostore u unutarnjim ljuskama i emitiraju se fotoni karakterističnog zračenja s energijom jednakom razlici energija atoma u pobuđenom i osnovnom stanju. Ta razlika (a time i energija fotona) ima određenu vrijednost, karakterističnu za svaki element. Ovaj fenomen je u osnovi rendgenske spektralne analize elemenata. Slika prikazuje linijski spektar volframa na pozadini kontinuiranog spektra kočnog zračenja.

Energija elektrona ubrzanih u rendgenskoj cijevi gotovo se u potpunosti pretvara u toplinsku energiju (anoda je u ovom slučaju jako zagrijana), samo se neznatan dio (oko 1% pri naponu blizu 100 kV) pretvara u energiju kočnog zračenja .

Primjena X-zraka u medicini temelji se na zakonima apsorpcije X-zraka u tvari. Apsorpcija x-zraka potpuno je neovisna o optičkim svojstvima materijala apsorbera. Bezbojno i prozirno olovno staklo koje se koristi za zaštitu osoblja u sobama za rendgenske snimke gotovo potpuno apsorbira rendgenske zrake. Nasuprot tome, list papira koji nije proziran za svjetlost ne prigušuje X-zrake.

Intenzitet homogene (odnosno određene valne duljine) zrake X-zraka pri prolasku kroz apsorberski sloj opada prema eksponencijalnom zakonu (e-x), gdje je e baza prirodnih logaritama (2,718), a eksponent x jednak je umnošku masenog koeficijenta prigušenja (μ / p) cm 2 /g po debljini apsorbera u g / cm 2 (ovdje je p gustoća tvari u g / cm 3). X-zrake su prigušene i raspršenjem i apsorpcijom. Prema tome, koeficijent prigušenja mase je zbroj koeficijenata apsorpcije i raspršenja mase. Maseni koeficijent apsorpcije naglo raste s povećanjem atomskog broja (Z) apsorbera (proporcionalno Z3 ili Z5) i s povećanjem valne duljine (proporcionalno λ3). Ova ovisnost o valnoj duljini opaža se unutar apsorpcijskih vrpci, na čijim granicama koeficijent pokazuje skokove.

Maseni koeficijent raspršenja raste s povećanjem atomskog broja tvari. Za λ≥0,3Å koeficijent raspršenja ne ovisi o valnoj duljini, za λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Smanjenje koeficijenata apsorpcije i raspršenja sa smanjenjem valne duljine uzrokuje povećanje prodorne moći X-zraka. Koeficijent apsorpcije mase za kosti [apsorpcija je uglavnom uzrokovana Ca 3 (PO 4) 2 ] gotovo je 70 puta veći nego za meka tkiva, gdje je apsorpcija uglavnom posljedica vode. To objašnjava zašto se sjena kostiju tako oštro ističe na radiografiji u odnosu na pozadinu mekih tkiva.

Širenje nehomogenog rendgenskog snopa kroz bilo koji medij, uz smanjenje intenziteta, praćeno je promjenom spektralnog sastava, promjenom kvalitete zračenja: dugovalni dio spektra apsorbira se na većem opsegu od kratkovalnog dijela, zračenje postaje jednoličnije. Filtriranje dugovalnog dijela spektra omogućuje poboljšanje omjera dubinskih i površinskih doza tijekom rendgenske terapije žarišta smještenih duboko u ljudskom tijelu (vidi rendgenske filtre). Za karakterizaciju kvalitete nehomogenog snopa X-zraka koristi se koncept "polovičnog sloja prigušenja (L)" - sloja tvari koja polovično prigušuje zračenje. Debljina ovog sloja ovisi o naponu na cijevi, debljini i materijalu filtera. Celofan (do energije od 12 keV), aluminij (20-100 keV), bakar (60-300 keV), olovo i bakar (>300 keV) koriste se za mjerenje slojeva poluprigušenja. Za X-zrake generirane na naponima od 80-120 kV, 1 mm bakra je ekvivalentan kapacitetu filtriranja od 26 mm aluminija, 1 mm olova je ekvivalentan 50,9 mm aluminija.

Apsorpcija i raspršenje X-zraka je zbog njegovih korpuskularnih svojstava; X-zrake djeluju na atome kao tok korpuskula (čestica) - fotona, od kojih svaki ima određenu energiju (obrnuto proporcionalnu valnoj duljini X-zraka). Energetski raspon fotona X zraka je 0,05-500 keV.

Apsorpcija rendgenskog zračenja je posljedica fotoelektričnog efekta: apsorpcija fotona elektronskom ljuskom popraćena je izbacivanjem elektrona. Atom je pobuđen i, vraćajući se u osnovno stanje, emitira karakteristično zračenje. Emitirani fotoelektron odnosi svu energiju fotona (minus energija vezanja elektrona u atomu).

Raspršenje X-zračenja nastaje zahvaljujući elektronima raspršujućeg medija. Razlikuju se klasično raspršenje (valna duljina zračenja se ne mijenja, ali se mijenja smjer širenja) i raspršenje s promjenom valne duljine - Comptonov efekt (valna duljina raspršenog zračenja veća je od upadnog). U potonjem slučaju, foton se ponaša kao lopta koja se kreće, a raspršenje fotona događa se, prema Comntonovom slikovitom izrazu, poput igre bilijara s fotonima i elektronima: sudarajući se s elektronom, foton prenosi dio svoje energije na njega i raspršuje se, imajući već manju energiju (odnosno, valna duljina raspršenog zračenja se povećava), elektron izleti iz atoma s povratnom energijom (ti se elektroni nazivaju Comptonovi elektroni, ili povratni elektroni). Apsorpcija energije X-zraka događa se tijekom stvaranja sekundarnih elektrona (Comptona i fotoelektrona) i prijenosa energije na njih. Energija X-zraka prenesena na jedinicu mase tvari određuje apsorbiranu dozu X-zraka. Jedinica ove doze 1 rad odgovara 100 erg/g. Uslijed apsorbirane energije u supstanci apsorbera dolazi do niza sekundarnih procesa koji su važni za rendgensku dozimetriju, budući da se na njima temelje metode mjerenja rendgenskih zraka. (vidi Dozimetrija).

Svi plinovi i mnoge tekućine, poluvodiči i dielektrici pod djelovanjem X-zraka povećavaju električnu vodljivost. Vodljivost pronalaze najbolji izolacijski materijali: parafin, tinjac, guma, jantar. Promjena vodljivosti je posljedica ionizacije medija, tj. razdvajanja neutralnih molekula na pozitivne i negativne ione (ionizaciju proizvode sekundarni elektroni). Ionizacija u zraku služi za određivanje ekspozicijske doze rendgenskog zračenja (doza u zraku), koja se mjeri u rendgenima (vidi Doze ionizirajućeg zračenja). Pri dozi od 1 r apsorbirana doza u zraku iznosi 0,88 rad.

Pod djelovanjem X-zraka, kao rezultat ekscitacije molekula tvari (i tijekom rekombinacije iona), u mnogim slučajevima dolazi do ekscitacije vidljivog sjaja tvari. Pri velikim intenzitetima rendgenskog zračenja opaža se vidljivi sjaj zraka, papira, parafina i sl. (iznimka su metali). Najveći prinos vidljive svjetlosti daju takvi kristalni fosfori kao Zn·CdS·Ag-fosfor i drugi koji se koriste za ekrane u fluoroskopiji.

Pod djelovanjem X-zraka mogu se odvijati i različiti kemijski procesi u tvari: razgradnja srebrnih halogenida (fotografski efekt koji se koristi u X-zrakama), razgradnja vode i vodenih otopina vodikovog peroksida, promjena svojstva celuloida (zamućenje i oslobađanje kamfora), parafina (zamućenje i izbjeljivanje) .

Kao rezultat potpune pretvorbe, sva energija X-zraka koju apsorbira kemijski inertna tvar pretvara se u toplinu. Mjerenje vrlo malih količina topline zahtijeva vrlo osjetljive metode, ali je glavna metoda za apsolutna mjerenja X-zraka.

Sekundarni biološki učinci izloženosti rendgenskim zrakama osnova su medicinske radioterapije (vidi). X-zrake, čiji su kvanti 6-16 keV (efektivne valne duljine od 2 do 5 Å), gotovo u potpunosti apsorbiraju kožni omotač tkiva ljudskog tijela; nazivaju se granične zrake, ili ponekad Bucca zrake (vidi Bucca zrake). Za duboku rendgensku terapiju koristi se tvrdo filtrirano zračenje s kvantima efektivne energije od 100 do 300 keV.

Biološki učinak rendgenskog zračenja treba uzeti u obzir ne samo u rendgenskoj terapiji, već iu rentgenskoj dijagnostici, kao iu svim drugim slučajevima kontakta s rendgenskim zrakama koji zahtijevaju primjenu zaštite od zračenja ( vidjeti).

RTG ZRAČENJE
nevidljivo zračenje koje može prodrijeti, iako u različitim stupnjevima, kroz sve tvari. Radi se o elektromagnetskom zračenju valne duljine oko 10-8 cm Poput vidljive svjetlosti, X-zrake uzrokuju zacrnjenje fotografskog filma. Ovo svojstvo je od velike važnosti za medicinu, industriju i znanstvena istraživanja. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim pada na film, rendgensko zračenje na njemu prikazuje njegovu unutarnju strukturu. Budući da je prodorna moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi predmeta koji su mu manje transparentni daju svjetlija područja na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Stoga su koštana tkiva manje prozirna za rendgenske zrake nego tkiva koja čine kožu i unutarnje organe. Stoga će se na rendgenskom snimku kosti označiti kao svjetlije površine, a mjesto prijeloma, koje je prozirnije za zračenje, može se prilično lako otkriti. Rentgensko snimanje također se koristi u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao iu industriji za otkrivanje pukotina u odljevcima, plastici i gumi. X-zrake se koriste u kemiji za analizu spojeva, au fizici za proučavanje strukture kristala. X-zraka koja prolazi kroz kemijski spoj uzrokuje karakteristično sekundarno zračenje, čija spektroskopska analiza omogućuje kemičaru određivanje sastava spoja. Kada pada na kristalnu tvar, rendgenska zraka se raspršuje na atomima kristala, dajući jasan, pravilan uzorak mrlja i pruga na fotografskoj ploči, što omogućuje utvrđivanje unutarnje strukture kristala. Korištenje X-zraka u liječenju raka temelji se na činjenici da ono ubija stanice raka. Međutim, može imati i nepoželjan učinak na normalne stanice. Stoga je pri ovoj uporabi X-zraka potreban krajnji oprez. X-zrake je otkrio njemački fizičar W. Roentgen (1845-1923). Njegovo je ime ovjekovječeno u nekim drugim fizikalnim pojmovima povezanim s ovim zračenjem: međunarodna jedinica doze ionizirajućeg zračenja zove se rendgen; slika snimljena rendgenskim aparatom naziva se radiografija; Područje radiološke medicine koje koristi x-zrake za dijagnosticiranje i liječenje bolesti naziva se radiologija. Roentgen je otkrio zračenje 1895. dok je bio profesor fizike na Sveučilištu u Würzburgu. Provodeći pokuse s katodnim zrakama (strujanje elektrona u cijevima za pražnjenje), primijetio je da ekran smješten u blizini vakuumske cijevi, prekriven kristalnim barijevim cijanoplatinitom, jako svijetli, iako je sama cijev prekrivena crnim kartonom. Roentgen je nadalje utvrdio da prodorna moć nepoznatih zraka koje je otkrio, a koje je nazvao X-zrake, ovisi o sastavu apsorbirajućeg materijala. Također je snimio kosti vlastite ruke tako što ju je stavio između cijevi za pražnjenje katodnih zraka i zaslona obloženog barijevim cijanoplatinitom. Nakon Roentgenovog otkrića uslijedili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i mogućnosti korištenja ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju X-zraka pri prolazu kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio visokovakuumsku rentgensku cijev s grijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. godine utvrdio odnos između valne duljine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Braggi, koji su 1915. godine dobili Nobelovu nagradu za razvoj osnova analize difrakcije X-zraka.
DOBIVANJE RTG ZRAKA
X-zračenje nastaje kada elektroni koji se kreću velikim brzinama djeluju u interakciji s materijom. Kada se elektroni sudare s atomima bilo koje tvari, brzo gube svoju kinetičku energiju. U ovom slučaju, većina se pretvara u toplinu, a mali dio, obično manji od 1%, pretvara se u energiju X-zraka. Ta se energija oslobađa u obliku kvanta - čestica zvanih fotoni koje imaju energiju, ali nemaju masu mirovanja nula. Fotoni X zraka razlikuju se po energiji koja je obrnuto proporcionalna njihovoj valnoj duljini. Konvencionalnom metodom dobivanja x-zraka dobiva se širok raspon valnih duljina koji se naziva spektrom x-zraka. Spektar sadrži izražene komponente, kao što je prikazano na sl. 1. Široki "kontinuum" naziva se kontinuirani spektar ili bijelo zračenje. Oštri vrhovi superponirani na njemu nazivaju se karakteristične linije x-zraka. Iako je cijeli spektar rezultat sudara elektrona s materijom, mehanizmi nastanka njegovog širokog dijela i linija su različiti. Tvar se sastoji od velikog broja atoma, od kojih svaki ima jezgru okruženu elektronskim ljuskama, a svaki elektron u ljusci atoma određenog elementa zauzima određenu diskretnu energetsku razinu. Obično se te ljuske, odnosno energetske razine, označavaju simbolima K, L, M itd., počevši od ljuske najbliže jezgri. Kada se upadni elektron dovoljno visoke 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. Ovaj potonji odaje višak energije emitiranjem fotona X-zraka. Budući da elektroni ljuske imaju diskretne vrijednosti energije, rezultirajući fotoni X-zraka također imaju diskretan spektar. To odgovara oštrim vrhovima za određene valne duljine, čije specifične vrijednosti ovise o ciljnom elementu. Karakteristične linije tvore K-, L- i M-serije, ovisno o tome iz koje ljuske (K, L ili M) je elektron uklonjen. Odnos između valne duljine X-zraka i atomskog broja naziva se Moseleyev zakon (slika 2).

Ovo su tri temeljne Laueove jednadžbe za difrakciju X-zraka, pri čemu su brojevi h, k i c Millerovi indeksi za difrakcijsku ravninu.
vidi također KRISTALI I KRISTALOGRAFIJA. Razmatrajući bilo koju od Laueovih jednadžbi, na primjer prvu, može se uočiti da budući da su a, a0, l konstante, a h = 0, 1, 2, ..., njeno se rješenje može prikazati kao skup stožaca s zajednička os a (sl. 5). Isto vrijedi i za pravce b i c. U općem slučaju trodimenzionalnog raspršenja (difrakcije), tri Laueove jednadžbe moraju imati zajedničko rješenje, tj. tri difrakcijska stošca smještena na svakoj od osi moraju se presijecati; zajednička linija presjeka prikazana je na sl. 6. Zajedničko rješavanje jednadžbi dovodi do Bragg-Wulfovog zakona: