рентгенівське випромінювання

1. Положення на шкалі електромагнітних хвиль [ правити | правити код ]
2. Рентгенівські трубки [ правити | правити код ]
3. Прискорювачі часток [ правити | правити код ]
4. Біологічний вплив [ правити | правити код ]
5. Реєстрація [ правити | правити код ]
6. Природне рентгенівське випромінювання [ правити | правити код ]

Рентгенівське випромінювання - електромагнітні хвилі , енергія фотонів яких лежить на шкалою електромагнітних хвиль між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням (Від ~ 100 еВ до ~ 1 МеВ), що відповідає довжинах хвиль від ~ 103,1 до ~ 10-2 Å (Від ~ 10 до ~ 10-3 нм ) [1] .

Положення на шкалі електромагнітних хвиль [ правити | правити код ]

Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання і гамма-випромінювання перекриваються в широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і при однаковій енергії фотонів - еквівалентні. Термінологічне розходження лежить в способі виникнення - рентгенівські промені випускаються за участю електронів (Або пов'язаних в атомах , Або вільних) в той час як гамма-випромінювання випускається в процесах девозбужденія атомних ядер . Фотони характеристичного (тобто випускається при переходах в електронних оболонках атомів) рентгенівського випромінювання мають енергію від 10 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 2⋅1015 до 6⋅1019 Гц і довжиною хвилі 0,005-100 нм (Загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських променів в шкалі довжин хвиль не існує). М'яке рентгенівське випромінювання характеризується найменшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорстке рентгенівське випромінювання володіє найбільшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найменшою довжиною хвилі). Жорстке рентгенівське випромінювання використовується переважно в промислових цілях. Умовна межа між м'яким і жорстким рентгенівським випромінюванням на шкалі довжин хвиль знаходиться близько 2 Å (≈6 кеВ) [1] .

Рентгенівські трубки [ правити | правити код ]

Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок ( гальмівне випромінювання ), Або при високоенергетичних переходах в електронних оболонках атомів або молекул . Обидва ефекти використовуються в рентгенівських трубках . Основними конструктивними елементами таких трубок є металеві катод і анод (раніше називався також електрод). В рентгенівських трубках електрони, випущені катодом , Прискорюються під дією різниці електричних потенціалів між анодом і катодом (при цьому рентгенівські промені не випускаються, так як прискорення занадто мало) і вдаряються об анод, де відбувається їх різке гальмування. При цьому за рахунок гальмівного випромінювання відбувається генерація випромінювання рентгенівського діапазону, і одночасно вибиваються електрони з внутрішніх електронних оболонок атомів анода. Порожні місця в оболонках займаються іншими електронами атома. При цьому випускається рентгенівське випромінювання з характерним для матеріалу анода спектром енергій ( характеристичне випромінювання , Частоти визначаються законом Мозлі : Ν = A (ZB), {\ displaystyle {\ sqrt {\ nu}} = A (ZB),} де Z - атомний номер елемента анода, A і B - константи для певного значення головного квантового числа n електронної оболонки). В даний час аноди виготовляються головним чином з кераміки , Причому та їх частина, куди ударяють електрони, - з молібдену або міді .

В процесі прискорення-гальмування лише близько 1 % кінетичної енергії електрона йде на рентгенівське випромінювання, 99% енергії перетворюється в тепло.

Прискорювачі часток [ правити | правити код ]

Рентгенівське випромінювання можна отримувати також і на прискорювачах заряджених частинок . так зване синхротронне випромінювання виникає при відхиленні пучка частинок в магнітному полі , В результаті чого вони відчувають прискорення в напрямку, перпендикулярному їх руху. синхротронне випромінювання має суцільний спектр з верхньою межею. При відповідним чином обраних параметрах (величина магнітного поля і енергія частинок) в спектрі синхротронного випромінювання можна отримати і рентгенівські промені.

довжини хвиль

( нм , В чисельнику) і енергії ( еВ , В знаменнику) спектральних ліній K-серій для ряду анодних матеріалів [2] позначення лінії
(в нотації Сігбана ) Kα₁
(Перехід L3 → K) Kα₂
(Перехід L2 → K) Kβ₁
(Перехід M3 → K) Kβ5
(Перехід M5 → K) K (край) Cr 0,22897260 (30) 5414,8045 (71) 0,22936510 (30) 5405,5384 (71) 0,20848810 (40) 5946,823 (11) 0,2070901 (89) 5986,97 (26) 0, 2070193 (14) 5989,017 (40) Fe 0,1936041 (3) 6404,0062 (99) 0,1939973 (3) 6391,0264 (99) 0,1756604 (4) 7058,175 (16) 0,174423 (15) 7108,26 (60) 0, 1743617 (5) 7110,747 (20) Co 0,17889960 (10) 6930,3780 (39) 0,17928350 (10) 6915,5380 (39) 0,16208260 (30) 7649,445 (14) 0,1608934 (44) 7705,98 (21) 0, 16083510 (42) 7708,776 (20) Ni 0,16579300 (10) 7478,2521 (45) 0,16617560 (10) 7461,0343 (45) 0,15001520 (30) 8264,775 (17) 0,1488642 (59) 8328,68 (33) 0, 14881401 (36) 8331,486 (20) Cu 0,154059290 (50) 8047,8227 (26) 0,154442740 (50) 8027,8416 (26) 0,13922340 (60) 8905,413 (38) 0,1381111 (44) 8977,14 (29) 0, 13805971 (31) 8980,476 (20) Zr 0,07859579 (27) 15774,914 (54) 0,07901790 (25) 15690,645 (50) 0,07018008 (30) 17666,578 (76) 0,069591 (15) 17816,1 (38) 0, 06889591 (31) 17995,872 (80) Mo 0,070931715 (41) 17479,372 (10) 0,0713607 (12) 17374,29 (29) 0,0632303 (13) 19608,34 (42) 0,0626929 (74) 19776,4 (23) 0, 061991006 (62) 20000,351 (20) Ag 0,055942178 (76) 22162,917 (30) 0,05638131 (26) 21990,30 (10) 0,04970817 (60) 24942,42 (30) 0,0493067 (30) 25145,5 (15) 0, 04859155 (57) 25515,59 (30) W 0,020901314 (18) 59318,847 (50) 0,021383304 (50) 57981,77 (14) 0,01843768 (30) 67245,0 (11) 0,0183095 (10) 67715,9 (38) 0, 0178373 (15) 69508,5 (58)

Довжина хвилі рентгенівських променів можна порівняти з розмірами атомів, тому не існує матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, в рентгенівської оптики були знайдені способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів. Зокрема, з'ясувалося, що їх добре відображає алмаз [3] .

Рентгенівські промені можуть проникати крізь речовину, причому різні речовини по-різному їх поглинають. Поглинання рентгенівських променів є найважливішим їх властивістю в рентгенівській зйомці. Інтенсивність рентгенівських променів експоненціально убуває в залежності від пройденого шляху в поглинає шарі (I = I 0 e-kd, де d - товщина шару, коефіцієнт k пропорційний Z ³λ³, Z - атомний номер елемента, λ - довжина хвилі).

Поглинання відбувається в результаті фотопоглинання ( фотоефекту ) і комптонівського розсіювання :

• Під фотопоглинання розуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більше деякого мінімального значення. якщо розглядати ймовірність акту поглинання в залежності від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона (ймовірність) різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії ймовірність безперервно зменшується. Унаслідок такої залежності говорять, що існує межа поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, при цьому випускається випромінювання з меншою енергією фотона, відбувається т. Н. процес флуоресценції .
• Рентгенівський фотон може взаємодіяти не тільки зі зв'язаними електронами, але і з вільними, а також слабо зв'язаної електронами. Відбувається розсіювання фотонів на електронах - т. Зв. комптонівське розсіювання . Залежно від кута розсіювання, довжина хвилі фотона збільшується на певну величину і, відповідно, енергія зменшується. Комптонівське розсіювання, в порівнянні з фотопоглинання, стає переважаючим при більш високих енергіях фотона [4] .

Біологічний вплив [ правити | правити код ]

Рентгенівське випромінювання є іонізуючим . Воно впливає на тканини живих організмів і може бути причиною променевої хвороби , променевих опіків і злоякісних пухлин . Унаслідок цього при роботі з рентгенівським випромінюванням необхідно дотримуватися заходи захисту . Вважається, що поразка прямо пропорційно поглиненої дози випромінювання. Рентгенівське випромінювання є мутагенну фактором.

Реєстрація [ правити | правити код ]

• ефект люмінесценції . Рентгенівські промені здатні викликати у деяких речовин світіння (флюоресценцію). Цей ефект використовується в медичної діагностиці при рентгеноскопії (Спостереження зображення на флюоресцируют екрані) і рентгенівської зйомці ( рентгенографії ). Медичні фотоплівки , Як правило, застосовуються в комбінації з підсилюють екранами, до складу яких входять рентгенолюмінофори, які світяться під дією рентгенівського випромінювання і засвічують світлочутливу фотоемульсію . Метод отримання зображення в натуральну величину називається рентгенографією. При флюорографії зображення виходить в зменшеному масштабі. Люмінесцирующєє речовина ( сцинтилятор ) Можна оптично з'єднати з електронним детектором світлового випромінювання ( фотоелектронний помножувач , фотодіод і т. п.), отриманий прилад називається сцинтиляційним детектором . Він дозволяє реєструвати окремі фотони і вимірювати їхню енергію, оскільки енергія сцинтиляційної спалаху пропорційна енергії поглиненого фотона.
• фотографічний ефект. Рентгенівські промені, також, як і звичайне світло, здатні безпосередньо засвічувати фотографічну емульсію. Однак без флюоресцирующего шару для цього потрібно в 30-100 разів більша експозиція (тобто доза). Перевагою цього методу (відомого під назвою безекранний рентгенографія ) Є велика різкість зображення.
• В напівпровідникових детекторах рентгенівські промені виробляють пари електрон-дірка в pn-перехід діода , Включеного в замикаючому напрямку. При цьому протікає невеличкий струм , Амплітуда якого пропорційна енергії і інтенсивності падаючого рентгенівського випромінювання. В імпульсному режимі можлива реєстрація окремих рентгенівських фотонів і вимір їх енергії.
• Окремі фотони рентгенівського випромінювання можуть бути також зареєстровані за допомогою газо детекторів іонізуючого випромінювання ( лічильник Гейгера , пропорційна камера та ін.).

• За допомогою рентгенівських променів можна «просвітити» людське тіло, в результаті чого можна отримати зображення кісток , А в сучасних приладах і внутрішніх органів (див. Також рентгенографія і рентгеноскопія ). При цьому використовується той факт, що у міститься переважно в кістках елемента кальцію (Z = 20) атомний номер набагато більше, ніж атомні номери елементів, з яких складаються м'які тканини, а саме водню (Z = 1), вуглецю (Z = 6), азоту (Z = 7), кисню (Z = 8). Крім звичайних приладів, які дають двовимірну проекцію досліджуваного об'єкта, існують комп'ютерні томографи , Які дозволяють отримувати об'ємне зображення внутрішніх органів.

• рентгенотерапія - розділ променевої терапії , Що охоплює теорію і практику лікувального застосування рентгенівських променів, що генеруються при напрузі на рентгенівській трубці 20-60 кВ і шкірно-фокусній відстані 3-7 см (короткодистанционная рентгенотерапія) або при напрузі 180-400 кВ і шкірно-фокусній відстані 30-150 см (дистанційна рентгенотерапія). Рентгенотерапію проводять переважно при поверхнево розташованих пухлинах і при деяких інших захворюваннях, в тому числі захворюваннях шкіри (Ультрам'якого рентгенівські промені Букки).

Природне рентгенівське випромінювання [ правити | правити код ]

На Землі електромагнітне випромінювання в рентгенівському діапазоні утворюється в результаті іонізації атомів випромінюванням, яке виникає при радіоактивному розпаді, в результаті Комптон-ефекту гамма-випромінювання, що виникає при ядерних реакціях, а також космічним випромінюванням . Радіоактивний розпад також приводить до безпосереднього випромінювання рентгенівських квантів, якщо викликає перебудову електронної оболонки розпадається атома (наприклад, при електронному захопленні ). Рентгенівське випромінювання, яке виникає на інших небесних тілах, не досягає поверхні землі , Так як повністю поглинається атмосферою . воно досліджується супутниковими рентгенівськими телескопами , такими як " Чандра »І« XMM-Ньютон ».

Рентгенівське випромінювання було відкрито Вільгельмом Конрадом Рентгеном . вивчаючи експериментально катодні промені , ввечері 8 листопада 1895 року він зауважив, що знаходився поблизу катодного-променевої трубки картон, покритий платіносінеродістим барієм , Починає світитися в темній кімнаті. Протягом декількох наступних тижнів він вивчив всі основні властивості знову відкритого випромінювання, названого їм X-променями ( "ікс-променями"). 22 грудня 1895 року Рентген зробив перший публічний повідомлення про своє відкриття в Фізичному інституті Вюрцбургского університету [5] . 28 грудня 1895 року в журналі Вюрцбургского фізико-медичного товариства була опублікована стаття Рентгена під назвою «Про новий тип випромінювання» [6] .

Але ще за 8 років до цього - в 1887 році Нікола Тесла в щоденникових записах зафіксував результати дослідження рентгенівських променів і випускається ними гальмівне випромінювання , Проте ні Тесла, ні його оточення не надали серйозного значення цим спостереженням. Крім цього, вже тоді Тесла припустив небезпеку тривалого впливу рентгенівських променів на людський організм [ Джерело не вказано 127 днів ].

За деякими повідомленнями, опублікованими лише в 1896 році [7] [8] , І в посилаються на них джерелах [9] , Промені, що володіють фотохімічним дією, були за 11 років до Рентгена описані директором і викладачем фізики Бакинського реального училища Єгором Семеновичем Каменським [10] (1838-1895), головою Бакинського гуртка любителів фотографії. Секретар цього гуртка А. М. Мішон нібито також проводив досліди в області фотографії, аналогічні рентгенових. Однак в результаті розгляду питання про пріоритет на засіданні Комісії з історії фізико-математичних наук АН СРСР 22 лютого 1949 року було прийнято рішення, «визнаючи наявний матеріал з питання про відкриття Х-променів недостатнім для обгрунтування пріоритету Каменського, вважати бажаним продовжити пошуки більш вагомих і достовірних даних » [11]

деякі джерела [9] називають першовідкривачем рентгенівських променів австро-угорського фізика Івана Павловича Пулюя (Родом з Галичини), який почав цікавитися розрядами у вакуумних трубках за 10 років до опублікування відкриття Рентгеном. За цим твердженням, Пулюй зауважив промені, які проникають через непрозорі предмети і засвічують фотопластинки. У 1890 році їм були нібито отримані і навіть опубліковані в європейських журналах фотографії скелета жаби і дитячої руки, проте подальшим вивченням променів і отриманням патенту він не займався [9] . Ця думка спростовується в присвяченій Пулюєві монографії Р. Гайди і Р. Пляцко [12] , Де докладно аналізуються витоки і розвиток цієї легенди, і в інших роботах по історії фізики [13] . Пулюй справді зробив великий внесок у вивчення фізики рентгенівського випромінювання і в методику його застосування (наприклад, він першим виявив появу електропровідності в газах, що опромінюються рентгенівськими променями), але вже після відкриття Рентгена [12] .

Катодного-променева трубка, яку Рентген використовував в своїх експериментах, була розроблена Й. Хітторфом і В. Круксом . При роботі цієї трубки виникають рентгенівські промені. Це було показано в експериментах Генріха Герца і його учня Філіпа Ленарда через почорніння фотопластинок [ Джерело не вказано 127 днів ]. Однак ніхто з них не усвідомив значення зробленого ними відкриття і не опублікував своїх результатів.

З цієї причини Рентген не знав про зроблені до нього відкриттях і відкрив промені незалежно - при спостереженні флюоресценції, що виникає при роботі катодно-променевої трубки. Рентген займався Х-променями трохи більше року (з 8 листопада 1895 року по березень 1897 року) і опублікував про них три статті, в яких було вичерпний опис нових променів. Згодом сотні робіт його послідовників, опублікованих потім протягом 12 років, не могли ні додати, ні змінити нічого істотного. Рентген, що втратив інтерес до Х-променів, говорив своїм колегам: «Я вже все написав, не витрачайте даремно час». Свій внесок до відома Рентгена внесла також знаменита фотографія руки Альберта фон Келлікера , Яку він опублікував у своїй статті (див. Зображення праворуч). За відкриття рентгенівських променів Рентгену в 1901 році була присуджена перша Нобелівська премія з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття. В інших країнах використовується бажане Рентгеном назва - X-промені, хоча словосполучення, аналогічні російському, ( англ. Roentgen rays і т. П.) Також вживаються. У Росії промені стали називати «рентгенівськими» з ініціативи учня В. К. Рентгена - Абрама Федоровича Йоффе .