Podstawowe właściwości promieniowania rentgenowskiego

1. Doskonała zdolność penetracji i jonizacji.

2. Nie odchylany przez pola elektryczne i magnetyczne.

3. Mają efekt fotochemiczny.

4. Powoduje świecenie substancji.

5. Odbicie, załamanie i dyfrakcja jak w promieniowaniu widzialnym.

6. Mają biologiczny wpływ na żywe komórki.

1. Oddziaływanie z materią

Długość fali promieni rentgenowskich jest porównywalna z wielkością atomów, dlatego nie ma materiału, z którego można wykonać soczewkę rentgenowską. Ponadto, gdy promienie rentgenowskie padają prostopadle na powierzchnię, prawie nie są odbijane. Mimo to w optyce rentgenowskiej odkryto metody konstruowania elementów optycznych dla promieni rentgenowskich. W szczególności okazało się, że diament dobrze je odzwierciedla.

Promienie rentgenowskie mogą przenikać przez materię, a różne substancje absorbują je w różny sposób. Absorpcja promieni rentgenowskich jest ich najważniejszą właściwością w fotografii rentgenowskiej. Natężenie promieni rentgenowskich maleje wykładniczo w zależności od drogi przebytej w warstwie absorbującej (I = I0e-kd, gdzie d to grubość warstwy, współczynnik k jest proporcjonalny do Z³λ³, Z to liczba atomowa pierwiastka, λ jest długość fali).

Absorpcja zachodzi w wyniku fotoabsorpcji (fotoefektu) i rozpraszania Comptona:

Fotoabsorpcja odnosi się do procesu wybijania elektronu przez foton z powłoki atomu, co wymaga, aby energia fotonu była większa niż pewna wartość minimalna. Jeśli weźmiemy pod uwagę prawdopodobieństwo zdarzenia absorpcyjnego w zależności od energii fotonu, to po osiągnięciu określonej energii (prawdopodobieństwo) gwałtownie wzrasta do wartości maksymalnej. Dla wyższych wartości energii prawdopodobieństwo maleje w sposób ciągły. Z powodu tej zależności mówią, że istnieje granica absorpcji. Miejsce wybitego w procesie absorpcji elektronu zajmuje inny elektron, a emitowane jest promieniowanie o niższej energii fotonu, tzw. proces fluorescencji.

Foton promieniowania rentgenowskiego może oddziaływać nie tylko ze związanymi elektronami, ale także z elektronami wolnymi i słabo związanymi. Następuje rozpraszanie fotonów przez elektrony – tzw. Rozpraszanie Comptona. W zależności od kąta rozproszenia długość fali fotonu wzrasta o pewną wartość i odpowiednio maleje energia. Rozpraszanie Comptona, w porównaniu z fotoabsorpcją, staje się dominujące przy wyższych energiach fotonów.

Oprócz powyższych procesów istnieje jeszcze jedna zasadnicza możliwość absorpcji - w wyniku tworzenia się par elektron-pozyton. Wymaga to jednak energii większej niż 1,022 MeV, która leży poza wyżej wymienioną granicą promieniowania rentgenowskiego (<250 кэВ). Однако при другом подходе, когда "ренгеновским" называется излучение, возникшее при взаимодействии электрона и ядра или только электронов, такой процесс имеет место быть. Кроме того, очень жесткое рентгеновское излучение с энергией кванта более 1 МэВ, способно вызвать Ядерный фотоэффект.

[edytować]

2. Skutki biologiczne

Promieniowanie rentgenowskie ma charakter jonizujący. Wpływa na tkanki organizmów żywych i może powodować chorobę popromienną, oparzenia popromienne i nowotwory złośliwe. Z tego powodu podczas pracy z promieniami rentgenowskimi należy podjąć środki ochronne. Uważa się, że uszkodzenie jest wprost proporcjonalne do pochłoniętej dawki promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie jest czynnikiem mutagennym.

[edytować]

3. Rejestracja

Efekt luminescencji. Promienie rentgenowskie mogą powodować świecenie niektórych substancji (fluorescencję). Efekt ten wykorzystywany jest w diagnostyce medycznej podczas fluoroskopii (obserwacja obrazu na ekranie fluorescencyjnym) i fotografii rentgenowskiej (radiografia). Medyczne klisze fotograficzne stosuje się najczęściej w połączeniu z ekranami wzmacniającymi, które zawierają luminofory rentgenowskie, które świecą pod wpływem promieni rentgenowskich i oświetlają światłoczułą emulsję. Metodę uzyskiwania obrazów w naturalnej wielkości nazywa się radiografią. Dzięki fluorografii obraz uzyskuje się w zmniejszonej skali. Substancję luminescencyjną (scyntylator) można optycznie połączyć z elektronicznym detektorem promieniowania świetlnego (fotopowielaczem, fotodiodą itp.), powstałe urządzenie nazywa się detektorem scyntylacyjnym. Umożliwia rejestrację poszczególnych fotonów i pomiar ich energii, gdyż energia błysku scyntylacyjnego jest proporcjonalna do energii zaabsorbowanego fotonu.

Efekt fotograficzny. Promienie rentgenowskie, podobnie jak zwykłe światło, mogą bezpośrednio oświetlać emulsję fotograficzną. Jednakże bez warstwy fluorescencyjnej wymaga to 30-100-krotności ekspozycji (tj. dawki). Zaletą tej metody (zwanej radiografią bezekranową) jest to, że obraz jest ostrzejszy.

W detektorach półprzewodnikowych promienie rentgenowskie wytwarzają pary elektron-dziura w złączu pn diody połączonej w kierunku blokującym. W tym przypadku płynie niewielki prąd, którego amplituda jest proporcjonalna do energii i natężenia padającego promieniowania rentgenowskiego. W trybie impulsowym możliwa jest rejestracja poszczególnych fotonów rentgenowskich i pomiar ich energii.

Pojedyncze fotony promieniowania rentgenowskiego można rejestrować także za pomocą detektorów promieniowania jonizującego wypełnionych gazem (licznik Geigera, komora proporcjonalna itp.).

Aplikacja

Za pomocą promieni rentgenowskich można „oświetlić” organizm człowieka, w efekcie czego można uzyskać obraz kości, a przy pomocy nowoczesnych urządzeń także narządów wewnętrznych (patrz też: RTG). Wykorzystuje to fakt, że pierwiastek wapń (Z=20), który występuje głównie w kościach, ma liczbę atomową znacznie większą niż liczba atomowa pierwiastków tworzących tkanki miękkie, czyli wodoru (Z=1), węgiel (Z=6), azot (Z=7), tlen (Z=8). Oprócz konwencjonalnych urządzeń umożliwiających dwuwymiarową projekcję badanego obiektu, istnieją tomografy komputerowe, które pozwalają uzyskać trójwymiarowy obraz narządów wewnętrznych.

Wykrywanie wad produktów (szyny, spoiny itp.) za pomocą promieniowania rentgenowskiego nazywa się defektoskopią rentgenowską.

W materiałoznawstwie, krystalografii, chemii i biochemii promienie rentgenowskie wykorzystuje się do wyjaśnienia struktury substancji na poziomie atomowym za pomocą rozpraszania dyfrakcji promieni rentgenowskich (dyfrakcja promieni rentgenowskich). Dobrze znanym przykładem jest określenie struktury DNA.

Ponadto skład chemiczny substancji można określić za pomocą promieni rentgenowskich. W mikrosondzie elektronowej (lub w mikroskopie elektronowym) analizowana substancja jest naświetlana elektronami, natomiast atomy ulegają jonizacji i emitują charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Zamiast elektronów można zastosować promienie rentgenowskie. Ta metoda analityczna nazywa się analizą fluorescencji rentgenowskiej.

Na lotniskach aktywnie wykorzystywane są introskopy telewizji rentgenowskiej, umożliwiające podgląd zawartości bagażu podręcznego i bagażu w celu wizualnej detekcji niebezpiecznych obiektów na ekranie monitora.

Rentgenoterapia to dział radioterapii obejmujący teorię i praktykę terapeutycznego zastosowania promieni rentgenowskich wytwarzanych przy napięciu na lampie rentgenowskiej 20-60 kV i odległości ogniskowej skóry 3-7 cm. (radioterapia krótkodystansowa) lub przy napięciu 180-400 kV i odległości ogniskowej skóry 30-150 cm (radioterapia zewnętrzna).

Rentgenoterapię przeprowadza się głównie w przypadku guzów powierzchownych oraz niektórych innych schorzeń, w tym chorób skóry (prześwietlenia ultrasoft Bucca).

[edytować]

Naturalne promienie rentgenowskie

Na Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim powstaje w wyniku jonizacji atomów przez promieniowanie zachodzące podczas rozpadu promieniotwórczego, w wyniku efektu Comptona promieniowania gamma powstającego podczas reakcji jądrowych, a także przez promieniowanie kosmiczne . Rozpad promieniotwórczy prowadzi również do bezpośredniej emisji kwantów promieniowania rentgenowskiego, jeśli powoduje przegrupowanie powłoki elektronowej rozpadającego się atomu (na przykład podczas wychwytu elektronu). Promieniowanie rentgenowskie występujące na innych ciałach niebieskich nie dociera do powierzchni Ziemi, gdyż jest całkowicie pochłaniane przez atmosferę. Jest badany przez satelitarne teleskopy rentgenowskie, takie jak Chandra i XMM-Newton.

W 1895 roku niemiecki fizyk W. Roentgen odkrył nowy, nieznany wcześniej rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, który na cześć odkrywcy nazwano promieniowaniem rentgenowskim. Autorem swojego odkrycia został V. Roentgen w wieku 50 lat, pełniący funkcję rektora Uniwersytetu w Würzburgu i cieszący się opinią jednego z najlepszych eksperymentatorów swoich czasów. Jednym z pierwszych, który znalazł techniczne zastosowanie dla odkrycia promieni rentgenowskich, był amerykański Edison. Stworzył wygodny aparat demonstracyjny i już w maju 1896 roku zorganizował w Nowym Jorku wystawę rentgenowską, podczas której zwiedzający mogli obejrzeć własną rękę na świetlistym ekranie. Po śmierci asystenta Edisona w wyniku poważnych oparzeń, których doznał podczas ciągłych demonstracji, wynalazca zaprzestał dalszych eksperymentów z promieniami rentgenowskimi.

Promieniowanie rentgenowskie zaczęto stosować w medycynie ze względu na jego wysoką zdolność przenikania. Początkowo do badania złamań kości i określania lokalizacji ciał obcych w organizmie człowieka wykorzystywano promienie rentgenowskie. Obecnie istnieje kilka metod opartych na promieniowaniu rentgenowskim. Ale te metody mają swoje wady: promieniowanie może powodować głębokie uszkodzenia skóry. Pojawiające się wrzody często przeradzały się w nowotwór. W wielu przypadkach konieczna była amputacja palców lub dłoni. Rentgen(synonim transiluminacji) to jedna z głównych metod badania rentgenowskiego, która polega na uzyskaniu płaskiego pozytywowego obrazu badanego obiektu na półprzezroczystym (fluorescencyjnym) ekranie. Podczas fluoroskopii osobę badaną umieszcza się pomiędzy półprzezroczystym ekranem a lampą rentgenowską. Na nowoczesnych ekranach transmisji rentgenowskiej obraz pojawia się po włączeniu lampy rentgenowskiej i znika natychmiast po jej wyłączeniu. Fluoroskopia umożliwia badanie funkcji narządu - pulsacji serca, ruchów oddechowych żeber, płuc, przepony, perystaltyki przewodu pokarmowego itp. Fluoroskopię wykorzystuje się w leczeniu chorób żołądka, przewodu pokarmowego, dwunastnicy, chorób wątroby, pęcherzyka żółciowego i dróg żółciowych. W tym przypadku sondę medyczną i manipulatory wprowadza się bez uszkodzenia tkanki, a czynności podczas operacji kontrolowane są za pomocą fluoroskopii i widoczne na monitorze.
Rentgen - Rentgenowska metoda diagnostyki z rejestracją nieruchomego obrazu na materiale światłoczułym – specjalna. klisza fotograficzna (klisza rentgenowska) lub papier fotograficzny z późniejszą obróbką fotograficzną; W przypadku radiografii cyfrowej obraz zapisywany jest w pamięci komputera. Wykonywane jest na aparatach do diagnostyki rentgenowskiej – stacjonarnych, instalowanych w specjalnie wyposażonych pracowniach RTG lub mobilnych i przenośnych – przy łóżku pacjenta lub na sali operacyjnej. Promienie rentgenowskie pokazują elementy strukturalne różnych narządów znacznie wyraźniej niż ekran fluorescencyjny. Rentgen wykonuje się w celu identyfikacji i zapobiegania różnym chorobom, a jego głównym celem jest pomoc lekarzom różnych specjalności w postawieniu prawidłowej i szybkiej diagnozy. Zdjęcie rentgenowskie rejestruje stan narządu lub tkanki tylko w momencie wykonania zdjęcia. Jednak pojedyncze zdjęcie rentgenowskie rejestruje tylko zmiany anatomiczne w określonym momencie, daje to proces statyczny; poprzez serię zdjęć rentgenowskich wykonywanych w określonych odstępach czasu można zbadać dynamikę procesu, czyli zmian funkcjonalnych. Tomografia. Słowo tomografia można przetłumaczyć z greckiego jako „wycinek obrazu”. Oznacza to, że celem tomografii jest uzyskanie obrazu warstwa po warstwie wewnętrznej struktury badanego obiektu. Tomografia komputerowa charakteryzuje się dużą rozdzielczością, co pozwala na uwidocznienie subtelnych zmian w tkankach miękkich. CT pozwala wykryć procesy patologiczne, których nie można wykryć innymi metodami. Ponadto zastosowanie tomografii komputerowej pozwala na zmniejszenie dawki promieniowania rentgenowskiego otrzymywanej przez pacjentów w procesie diagnostycznym.
Fluorografia- metoda diagnostyczna pozwalająca na uzyskanie obrazów narządów i tkanek została opracowana pod koniec XX wieku, rok po odkryciu promieni rentgenowskich. Na zdjęciach widać stwardnienie, zwłóknienie, ciała obce, nowotwory, zaawansowane stany zapalne, obecność gazów i nacieków w jamach, ropnie, cysty i tak dalej. Najczęściej fluorografię klatki piersiowej wykonuje się w celu wykrycia gruźlicy, nowotworu złośliwego w płucach lub klatce piersiowej i innych patologii.
Terapia rentgenowska to nowoczesna metoda stosowana w leczeniu niektórych patologii stawów. Główne obszary leczenia schorzeń ortopedycznych tą metodą to: Przewlekłe. Procesy zapalne stawów (zapalenie stawów, zapalenie wielostawowe); Zwyrodnieniowe (osteoartroza, osteochondroza, deformacja kręgosłupa). Cel radioterapii jest hamowanie czynności życiowej komórek patologicznie zmienionych tkanek lub ich całkowite zniszczenie. W przypadku chorób nienowotworowych radioterapia ma na celu zahamowanie reakcji zapalnej, zahamowanie procesów proliferacyjnych, zmniejszenie wrażliwości na ból i aktywność wydzielniczą gruczołów. Należy wziąć pod uwagę, że najbardziej wrażliwe na promieniowanie rentgenowskie są gonady, narządy krwiotwórcze, leukocyty i komórki nowotworów złośliwych. Dawkę promieniowania ustala się indywidualnie w każdym konkretnym przypadku.

Za odkrycie promieni rentgenowskich Roentgen otrzymał w 1901 roku pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a Komitet Noblowski podkreślił praktyczne znaczenie jego odkrycia.
Zatem promienie rentgenowskie są niewidzialnym promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 105 - 102 nm. Promienie rentgenowskie mogą przenikać przez niektóre materiały nieprzezroczyste dla światła widzialnego. Są emitowane podczas hamowania szybkich elektronów w substancji (widmo ciągłe) oraz podczas przejść elektronów z zewnętrznych powłok elektronowych atomu do wewnętrznych (widmo liniowe). Źródłami promieniowania rentgenowskiego są: lampa rentgenowska, niektóre izotopy promieniotwórcze, akceleratory i urządzenia magazynujące elektrony (promieniowanie synchrotronowe). Odbiorniki - klisze fotograficzne, ekrany fluorescencyjne, detektory promieniowania jądrowego. Promienie rentgenowskie są wykorzystywane w analizie dyfrakcji promieni rentgenowskich, medycynie, wykrywaniu wad, analizie widma rentgenowskiego itp.

Promieniowanie rentgenowskie (synonim promienie rentgenowskie) ma szeroki zakres długości fal (od 8,10 -6 do 10 -12 cm). Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy naładowane cząstki, najczęściej elektrony, są zwalniane w polu elektrycznym atomów substancji. Powstałe w tym przypadku kwanty mają różne energie i tworzą widmo ciągłe. Maksymalna energia kwantów w takim widmie jest równa energii padających elektronów. W (cm.) maksymalna energia kwantów promieniowania rentgenowskiego, wyrażona w kiloelektronowoltach, jest liczbowo równa wielkości napięcia przyłożonego do lampy, wyrażonej w kilowoltach. Kiedy promienie rentgenowskie przechodzą przez substancję, oddziałują z elektronami jej atomów. Dla kwantów rentgenowskich o energiach do 100 keV najbardziej charakterystycznym rodzajem oddziaływania jest efekt fotoelektryczny. W wyniku takiej interakcji energia kwantu jest całkowicie zużywana na wyrwanie elektronu z powłoki atomowej i przekazanie mu energii kinetycznej. Wraz ze wzrostem energii kwantu rentgenowskiego maleje prawdopodobieństwo wystąpienia efektu fotoelektrycznego i dominuje proces rozpraszania kwantów przez wolne elektrony – tzw. efekt Comptona. W wyniku takiego oddziaływania powstaje także elektron wtórny, a ponadto emitowany jest kwant o energii niższej niż energia kwantu pierwotnego. Jeżeli energia kwantu promieniowania rentgenowskiego przekracza jeden megaelektronowolt, może wystąpić tak zwany efekt parowania, w wyniku którego powstają elektron i pozyton (patrz). W konsekwencji, przechodząc przez substancję, energia promieniowania rentgenowskiego maleje, czyli maleje jego intensywność. Ponieważ absorpcja kwantów o niskiej energii zachodzi z większym prawdopodobieństwem, promieniowanie rentgenowskie jest wzbogacane o kwanty o wyższej energii. Ta właściwość promieniowania rentgenowskiego wykorzystywana jest do zwiększania średniej energii kwantów, czyli zwiększania jego twardości. Zwiększenie twardości promieniowania rentgenowskiego osiąga się za pomocą specjalnych filtrów (patrz). Do diagnostyki rentgenowskiej (patrz) i (patrz) wykorzystuje się promieniowanie rentgenowskie. Zobacz także Promieniowanie jonizujące.

Promieniowanie rentgenowskie (synonim: promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie rentgenowskie) to kwantowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 250 do 0,025 A (lub kwantach energii od 5,10 -2 do 5,10 2 keV). W 1895 roku odkrył go V.K. Roentgen. Obszar widmowy promieniowania elektromagnetycznego sąsiadujący z promieniowaniem rentgenowskim, którego kwanty energii przekraczają 500 keV, nazywany jest promieniowaniem gamma (patrz); promieniowanie, którego kwanty energii są mniejsze niż 0,05 kev, stanowi promieniowanie ultrafioletowe (patrz).

Zatem, stanowiąc stosunkowo niewielką część szerokiego spektrum promieniowania elektromagnetycznego, które obejmuje zarówno fale radiowe, jak i światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie, jak każde promieniowanie elektromagnetyczne, rozchodzi się z prędkością światła (w próżni około 300 tys. s) i charakteryzuje się długością fali λ (odległością, jaką przebywa promieniowanie w jednym okresie oscylacji). Promieniowanie rentgenowskie ma także szereg innych właściwości falowych (załamanie, interferencja, dyfrakcja), jednak są one znacznie trudniejsze do zaobserwowania niż promieniowanie o większej długości fali: światło widzialne, fale radiowe.

Widma rentgenowskie: a1 - ciągłe widmo bremsstrahlunga przy 310 kV; a - widmo ciągłe hamulca przy 250 kV, a1 - widmo filtrowane przez 1 mm Cu, a2 - widmo filtrowane przez 2 mm Cu, b - linie wolframowe serii K.

Do generowania promieniowania rentgenowskiego stosuje się lampy rentgenowskie (patrz), w których promieniowanie zachodzi, gdy szybkie elektrony oddziałują z atomami substancji anodowej. Istnieją dwa rodzaje promieniowania rentgenowskiego: bremsstrahlung i charakterystyczne. Promienie rentgenowskie Bremsstrahlung mają widmo ciągłe, podobne do zwykłego białego światła. Rozkład natężenia w zależności od długości fali (ryc.) jest reprezentowany przez krzywą z maksimum; w kierunku fal długich krzywa opada płasko, a w kierunku fal krótkich opada stromo i kończy się na określonej długości fali (λ0), zwanej granicą fal krótkich widma ciągłego. Wartość λ0 jest odwrotnie proporcjonalna do napięcia na lampie. Bremsstrahlung ma miejsce, gdy szybkie elektrony oddziałują z jądrami atomowymi. Intensywność bremsstrahlung jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu anodowego, kwadratu napięcia na rurze i liczby atomowej (Z) substancji anodowej.

Jeżeli energia elektronów przyspieszanych w lampie rentgenowskiej przekracza wartość krytyczną dla substancji anodowej (energię tę wyznacza krytyczne dla tej substancji napięcie Vcr na lampie), wówczas następuje promieniowanie charakterystyczne. Widmo charakterystyczne jest liniowe, a jego linie widmowe tworzą szeregi oznaczone literami K, L, M, N.

Seria K to najkrótsza długość fali, seria L to dłuższa długość fali, serie M i N obserwowane są tylko w pierwiastkach ciężkich (Vcr wolframu dla serii K wynosi 69,3 kV, dla serii L - 12,1 kV). Promieniowanie charakterystyczne powstaje w następujący sposób. Szybkie elektrony wybijają elektrony atomowe ze swoich wewnętrznych powłok. Atom jest wzbudzony, a następnie powraca do stanu podstawowego. W tym przypadku elektrony z zewnętrznych, słabiej związanych powłok wypełniają puste przestrzenie w wewnętrznych powłokach, a fotony charakterystycznego promieniowania emitowane są z energią równą różnicy energii atomu w stanie wzbudzonym i podstawowym. Ta różnica (a więc i energia fotonów) ma pewną wartość charakterystyczną dla każdego pierwiastka. Zjawisko to leży u podstaw analizy widma rentgenowskiego pierwiastków. Rysunek przedstawia widmo liniowe wolframu na tle ciągłego widma bremsstrahlung.

Energia elektronów przyspieszanych w lampie rentgenowskiej zamieniana jest prawie w całości na energię cieplną (anoda bardzo się nagrzewa), tylko niewielka jej część (około 1% przy napięciu bliskim 100 kV) zamieniana jest na energię bremsstrahlunga.

Zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie opiera się na prawach absorpcji promieni rentgenowskich przez materię. Absorpcja promieniowania rentgenowskiego jest całkowicie niezależna od właściwości optycznych substancji absorbującej. Bezbarwne i przezroczyste szkło ołowiowe, stosowane do ochrony personelu w pracowniach rentgenowskich, pochłania promienie rentgenowskie niemal całkowicie. Natomiast kartka papieru, która nie jest przezroczysta dla światła, nie tłumi promieni rentgenowskich.

Natężenie jednorodnej (tj. określonej długości fali) wiązki promieniowania rentgenowskiego przechodzącej przez warstwę absorbera maleje zgodnie z prawem wykładniczym (e-x), gdzie e jest podstawą logarytmów naturalnych (2,718), a wykładnik x jest równy iloczyn masowego współczynnika tłumienia (μ /p) cm 2 /g na grubość absorbera w g/cm 2 (tutaj p jest gęstością substancji w g/cm 3). Tłumienie promieniowania rentgenowskiego następuje zarówno na skutek rozpraszania, jak i absorpcji. Odpowiednio, współczynnik tłumienia masy jest sumą współczynników absorpcji masy i współczynnika rozproszenia. Współczynnik absorpcji masy gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej (Z) absorbera (proporcjonalnie do Z3 lub Z5) i wraz ze wzrostem długości fali (proporcjonalnie do λ3). Tę zależność od długości fali obserwuje się w obrębie pasm absorpcji, na granicach których współczynnik wykazuje skoki.

Współczynnik rozproszenia masy wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej substancji. Przy λ≥0,3Å współczynnik rozproszenia nie zależy od długości fali, przy λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Zmniejszenie współczynników absorpcji i rozpraszania wraz ze zmniejszaniem się długości fali powoduje wzrost siły penetracji promieniowania rentgenowskiego. Współczynnik absorpcji masy przez kości [pobór odbywa się głównie za sprawą Ca 3 (PO 4) 2 ] jest prawie 70 razy większy niż dla tkanki miękkiej, gdzie wchłanianie odbywa się głównie za pośrednictwem wody. To wyjaśnia, dlaczego cień kości tak wyraźnie odcina się na tle tkanek miękkich na radiogramach.

Rozprzestrzenianiu się niejednorodnej wiązki promieni rentgenowskich w dowolnym ośrodku wraz ze spadkiem natężenia towarzyszy zmiana składu widmowego i zmiana jakości promieniowania: długofalowa część widma jest pochłaniane w większym stopniu niż część krótkofalowa, promieniowanie staje się bardziej równomierne. Odfiltrowanie długofalowej części widma pozwala podczas radioterapii zmian zlokalizowanych głęboko w organizmie człowieka poprawić stosunek dawek głębokich do powierzchniowych (patrz filtry rentgenowskie). Aby scharakteryzować jakość niejednorodnej wiązki promieni rentgenowskich, stosuje się pojęcie „warstwy półtłumiącej (L)” - warstwy substancji, która tłumi promieniowanie o połowę. Grubość tej warstwy zależy od napięcia na rurze, grubości i materiału filtra. Do pomiaru warstw półtłumikowych stosuje się celofan (energia do 12 keV), aluminium (20-100 keV), miedź (60-300 keV), ołów i miedź (>300 keV). Dla promieni rentgenowskich wytwarzanych przy napięciach 80-120 kV 1 mm miedzi odpowiada zdolności filtrowania 26 mm aluminium, 1 mm ołowiu odpowiada 50,9 mm aluminium.

Absorpcja i rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego wynika z jego właściwości korpuskularnych; Promieniowanie rentgenowskie oddziałuje z atomami w postaci strumienia korpuskuł (cząstek) – fotonów, z których każdy ma określoną energię (odwrotnie proporcjonalną do długości fali promieniowania rentgenowskiego). Zakres energii fotonów rentgenowskich wynosi 0,05–500 keV.

Absorpcja promieniowania rentgenowskiego wynika z efektu fotoelektrycznego: absorpcji fotonu przez powłokę elektronową towarzyszy wyrzucenie elektronu. Atom jest wzbudzony i powracając do stanu podstawowego emituje charakterystyczne promieniowanie. Emitowany fotoelektron zabiera całą energię fotonu (pomniejszoną o energię wiązania elektronu w atomie).

Rozpraszanie promieni rentgenowskich jest powodowane przez elektrony w ośrodku rozpraszającym. Rozróżnia się rozpraszanie klasyczne (długość fali promieniowania nie zmienia się, ale zmienia się kierunek propagacji) i rozpraszanie ze zmianą długości fali - efekt Comptona (długość fali promieniowania rozproszonego jest większa niż długość fali padającego ). W tym drugim przypadku foton zachowuje się jak poruszająca się kula i następuje rozproszenie fotonów, zgodnie z przenośnym wyrażeniem Comtona, jak gra w bilard fotonami i elektronami: zderzając się z elektronem, foton przekazuje mu część swojej energii i zostaje rozproszony, mający mniejszą energię (odpowiednio wzrasta długość fali rozproszonego promieniowania), elektron wylatuje z atomu z energią odrzutu (elektrony te nazywane są elektronami Comptona lub elektronami odrzutu). Absorpcja energii promieniowania rentgenowskiego następuje podczas powstawania elektronów wtórnych (Comptona i fotoelektronów) i przekazywania im energii. Energia promieniowania rentgenowskiego przeniesiona na jednostkę masy substancji określa pochłoniętą dawkę promieniowania rentgenowskiego. Jednostka tej dawki 1 rad odpowiada 100 erg/g. Pod wpływem pochłoniętej energii w substancji absorbera zachodzi szereg procesów wtórnych, które są istotne dla dozymetrii rentgenowskiej, gdyż to na nich opierają się metody pomiaru promieniowania rentgenowskiego. (patrz Dozymetria).

Wszystkie gazy i wiele cieczy, półprzewodników i dielektryków zwiększają przewodność elektryczną pod wpływem promieni rentgenowskich. Przewodność wykrywają najlepsze materiały izolacyjne: parafina, mika, guma, bursztyn. Zmiana przewodnictwa spowodowana jest jonizacją ośrodka, czyli rozdzieleniem cząsteczek neutralnych na jony dodatnie i ujemne (jonizacja jest wytwarzana przez elektrony wtórne). Jonizacja w powietrzu służy do określenia dawki ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie (dawki w powietrzu), mierzonej w rentgenach (patrz Dawki promieniowania jonizującego). Przy dawce 1 r dawka pochłonięta w powietrzu wynosi 0,88 rad.

Pod wpływem promieniowania rentgenowskiego, w wyniku wzbudzenia cząsteczek substancji (oraz podczas rekombinacji jonów), w wielu przypadkach wzbudzane jest widzialne świecenie substancji. Przy dużych intensywnościach promieniowania rentgenowskiego obserwuje się widoczną poświatę w powietrzu, papierze, parafinie itp. (z wyjątkiem metali). Największą wydajność widocznej luminescencji zapewniają luminofory krystaliczne, takie jak Zn·CdS·Ag-fosfor i inne stosowane w ekranach fluoroskopowych.

Pod wpływem promieniowania rentgenowskiego w substancji mogą zachodzić także różne procesy chemiczne: rozkład związków halogenku srebra (efekt fotograficzny stosowany w fotografii rentgenowskiej), rozkład wody i wodnych roztworów nadtlenku wodoru, zmiany właściwości celuloidu (zmętnienie i uwolnienie kamfory), parafiny (zmętnienie i wybielenie).

W wyniku całkowitej konwersji cała energia pochłonięta przez chemicznie obojętną substancję, czyli promieniowanie rentgenowskie, zamienia się w ciepło. Pomiar bardzo małych ilości ciepła wymaga bardzo czułych metod, ale jest główną metodą bezwzględnych pomiarów promieniowania rentgenowskiego.

Wtórne skutki biologiczne narażenia na promieniowanie rentgenowskie stanowią podstawę medycznej terapii rentgenowskiej (patrz). Promieniowanie rentgenowskie, którego kwanty wynoszą 6-16 keV (efektywne długości fal od 2 do 5 Å), jest prawie całkowicie pochłaniane przez tkankę skórną ludzkiego ciała; nazywane są one promieniami granicznymi lub czasami promieniami Bucca (patrz promienie Bucca). Do terapii głębokim promieniowaniem rentgenowskim wykorzystuje się promieniowanie z twardą filtracją o efektywnych kwantach energii od 100 do 300 keV.

Biologiczne działanie promieniowania rentgenowskiego należy brać pod uwagę nie tylko podczas radioterapii, ale także podczas diagnostyki rentgenowskiej, a także we wszystkich innych przypadkach kontaktu z promieniowaniem rentgenowskim, które wymagają stosowania ochrony radiologicznej (Widzieć).

RTG
niewidzialne promieniowanie, które może przeniknąć, choć w różnym stopniu, wszystkie substancje. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali około 10-8 cm.Promieniowanie rentgenowskie, podobnie jak światło widzialne, powoduje zaczernienie kliszy fotograficznej. Właściwość ta jest istotna dla medycyny, przemysłu i badań naukowych. Przechodząc przez badany obiekt, a następnie padając na kliszę fotograficzną, promieniowanie rentgenowskie odwzorowuje na niej jej wewnętrzną strukturę. Ponieważ siła przenikania promieniowania rentgenowskiego jest różna dla różnych materiałów, części obiektu, które są dla niego mniej przezroczyste, tworzą na zdjęciu jaśniejsze obszary niż te, przez które promieniowanie dobrze przenika. Zatem tkanka kostna jest mniej przezroczysta dla promieni rentgenowskich niż tkanka tworząca skórę i narządy wewnętrzne. Dlatego na prześwietleniu rentgenowskim kości będą wyglądały na jaśniejsze, a miejsce złamania, które jest bardziej przezroczyste dla promieniowania, można dość łatwo wykryć. Promienie rentgenowskie wykorzystuje się także w stomatologii do wykrywania próchnicy i ropni w korzeniach zębów oraz w przemyśle do wykrywania pęknięć odlewów, tworzyw sztucznych i gumy. Promienie rentgenowskie wykorzystuje się w chemii do analizy związków oraz w fizyce do badania struktury kryształów. Wiązka promieni rentgenowskich przechodząca przez związek chemiczny wytwarza charakterystyczne promieniowanie wtórne, którego analiza spektroskopowa pozwala chemikowi określić skład związku. Padając na substancję krystaliczną, wiązka promieni rentgenowskich jest rozpraszana przez atomy kryształu, dając wyraźny, regularny obraz plam i pasków na kliszy fotograficznej, co pozwala ustalić wewnętrzną strukturę kryształu. Zastosowanie promieni rentgenowskich w leczeniu nowotworów opiera się na fakcie, że zabijają one komórki nowotworowe. Może jednak mieć również niepożądany wpływ na normalne komórki. Dlatego też należy zachować szczególną ostrożność podczas stosowania promieni rentgenowskich w ten sposób. Promieniowanie rentgenowskie odkrył niemiecki fizyk W. Roentgen (1845-1923). Jego imię zostało uwiecznione w kilku innych terminach fizycznych związanych z tym promieniowaniem: rentgen to międzynarodowa jednostka dawki promieniowania jonizującego; zdjęcie wykonane w aparacie rentgenowskim nazywa się radiogramem; Dziedzina medycyny radiologicznej, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie do diagnozowania i leczenia chorób, nazywa się radiologią. Roentgen odkrył promieniowanie w 1895 roku, będąc profesorem fizyki na Uniwersytecie w Würzburgu. Prowadząc doświadczenia z promieniami katodowymi (przepływem elektronów w lampach wyładowczych) zauważył, że ekran umieszczony w pobliżu lampy próżniowej, pokryty krystalicznym cyjanoplatynitem baru, świecił jasno, chociaż sama rura była pokryta czarnym kartonem. Roentgen ustalił ponadto, że zdolność przenikania odkrytych przez siebie nieznanych promieni, które nazwał promieniami rentgenowskimi, zależy od składu materiału pochłaniającego. Uzyskał także obraz kości własnej dłoni, umieszczając go pomiędzy rurą wyładowczą z promieniami katodowymi a ekranem pokrytym cyjanoplatynitem baru. Po odkryciu Roentgena nastąpiły eksperymenty innych badaczy, którzy odkryli wiele nowych właściwości i zastosowań tego promieniowania. Duży wkład wnieśli M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, którzy w 1912 r. wykazali dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego podczas przejścia przez kryształ; W. Coolidge’a, który w 1913 roku wynalazł wysokopróżniową lampę rentgenowską z podgrzewaną katodą; G. Moseleya, który w 1913 r. ustalił zależność pomiędzy długością fali promieniowania a liczbą atomową pierwiastka; G. i L. Braggów, którzy w 1915 roku otrzymali Nagrodę Nobla za opracowanie podstaw rentgenowskiej analizy strukturalnej.
ODBIÓR PROMIENI RTG
Promieniowanie rentgenowskie powstaje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością oddziałują z materią. Kiedy elektrony zderzają się z atomami jakiejkolwiek substancji, szybko tracą energię kinetyczną. W tym przypadku większość zamienia się w ciepło, a niewielka część, zwykle mniejsza niż 1%, zamieniana jest w energię promieniowania rentgenowskiego. Energia ta jest uwalniana w postaci kwantów – cząstek zwanych fotonami, które mają energię, ale ich masa spoczynkowa wynosi zero. Fotony promieniowania rentgenowskiego różnią się energią, która jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. Konwencjonalna metoda wytwarzania promieni rentgenowskich pozwala uzyskać szeroki zakres długości fal, zwany widmem rentgenowskim. Widmo zawiera wyraźne składowe, jak pokazano na ryc. 1. Szerokie „kontinuum” nazywane jest widmem ciągłym lub promieniowaniem białym. Nałożone na nią ostre piki nazywane są charakterystycznymi liniami emisyjnymi promieniowania rentgenowskiego. Choć całe widmo jest wynikiem zderzeń elektronów z materią, mechanizmy powstawania jego szerokiej części i linii są inne. Substancja składa się z dużej liczby atomów, z których każdy ma jądro otoczone powłokami elektronowymi, a każdy elektron w powłoce atomu danego pierwiastka zajmuje pewien dyskretny poziom energii. Zazwyczaj te powłoki, czyli poziomy energii, są oznaczone symbolami K, L, M itd., zaczynając od powłoki najbliżej jądra. Kiedy padający elektron o wystarczająco dużej energii zderza się z jednym z elektronów związanych z atomem, wybija ten elektron ze swojej powłoki. Pustą przestrzeń zajmuje inny elektron z powłoki, który odpowiada wyższej energii. Ten ostatni oddaje nadmiar energii poprzez emisję fotonu rentgenowskiego. Ponieważ elektrony powłokowe mają dyskretne wartości energii, powstałe fotony promieniowania rentgenowskiego również mają dyskretne widmo. Odpowiada to ostrym pikom dla pewnych długości fal, których konkretne wartości zależą od elementu docelowego. Charakterystyczne linie tworzą szereg K, L i M, w zależności od tego, z której powłoki (K, L lub M) został usunięty elektron. Zależność pomiędzy długością fali promieniowania rentgenowskiego a liczbą atomową nazywa się prawem Moseleya (rysunek 2).

Jeżeli elektron zderza się ze stosunkowo ciężkim jądrem, ulega spowolnieniu, a jego energia kinetyczna jest uwalniana w postaci fotonu rentgenowskiego o w przybliżeniu tej samej energii. Jeśli przeleci obok jądra, straci tylko część swojej energii, a reszta zostanie przeniesiona do innych atomów, które napotkają na swojej drodze. Każdy akt utraty energii prowadzi do emisji fotonu o określonej energii. Pojawia się ciągłe widmo rentgenowskie, którego górna granica odpowiada energii najszybszego elektronu. Jest to mechanizm powstawania widma ciągłego, a maksymalna energia (lub minimalna długość fali), która wyznacza granicę widma ciągłego, jest proporcjonalna do napięcia przyspieszającego, które określa prędkość padających elektronów. Linie widmowe charakteryzują materiał bombardowanego celu, natomiast widmo ciągłe jest wyznaczane przez energię wiązki elektronów i jest praktycznie niezależne od materiału celu. Promieniowanie rentgenowskie można uzyskać nie tylko poprzez bombardowanie elektronami, ale także poprzez napromienianie celu promieniowaniem rentgenowskim z innego źródła. W tym przypadku jednak większość energii padającej wiązki trafia do charakterystycznego widma rentgenowskiego, a bardzo mała jej część wpada do widma ciągłego. Jest oczywiste, że wiązka padającego promieniowania rentgenowskiego musi zawierać fotony, których energia jest wystarczająca do wzbudzenia charakterystycznych linii bombardowanego elementu. Wysoki procent energii przypadający na widmo charakterystyczne sprawia, że ​​ta metoda wzbudzania promieniowania rentgenowskiego jest wygodna w badaniach naukowych.
Lampy rentgenowskie. Aby wytworzyć promienie rentgenowskie w wyniku oddziaływania elektronów z materią, potrzebne jest źródło elektronów, środek przyspieszający je do dużych prędkości oraz cel, który wytrzyma bombardowanie elektronami i wytworzy promienie rentgenowskie o wymaganym natężeniu. Urządzenie zawierające to wszystko nazywa się lampą rentgenowską. Pierwsi badacze używali rur „głęboko próżniowych”, takich jak nowoczesne lampy wyładowcze. Próżnia w nich nie była zbyt wysoka. Rury wyładowcze zawierają niewielkie ilości gazu, a gdy do elektrod lampy przyłożona zostanie duża różnica potencjałów, atomy gazu przekształcają się w jony dodatnie i ujemne. Dodatnie poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody) i spadając na nią, wybijają z niej elektrony, a one z kolei przemieszczają się w stronę elektrody dodatniej (anody) i bombardując ją, tworzą strumień fotonów promieniowania rentgenowskiego . W nowoczesnej lampie rentgenowskiej opracowanej przez Coolidge'a (ryc. 3) źródłem elektronów jest katoda wolframowa nagrzana do wysokiej temperatury. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości dzięki dużej różnicy potencjałów między anodą (lub antykatodą) a katodą. Ponieważ elektrony muszą dotrzeć do anody bez zderzenia z atomami, konieczna jest bardzo wysoka próżnia, co wymaga dobrego opróżnienia lampy. Zmniejsza to również prawdopodobieństwo jonizacji pozostałych atomów gazu i wynikających z tego prądów bocznych.

Elektrony skupiają się na anodzie za pomocą specjalnie ukształtowanej elektrody otaczającej katodę. Elektroda ta nazywana jest elektrodą skupiającą i wraz z katodą tworzy „elektroniczny reflektor” lampy. Anoda poddawana bombardowaniu elektronami musi być wykonana z materiału ogniotrwałego, ponieważ większość energii kinetycznej bombardujących elektronów zamienia się w ciepło. Ponadto pożądane jest, aby anoda była wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej, ponieważ Wydajność promieniowania rentgenowskiego wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Najczęściej wybieranym materiałem anodowym jest wolfram, którego liczba atomowa wynosi 74. Konstrukcja lamp rentgenowskich może się różnić w zależności od warunków użytkowania i wymagań.
WYKRYWANIE PROMIENIOWANIA X
Wszystkie metody wykrywania promieni rentgenowskich opierają się na ich oddziaływaniu z materią. Detektory mogą być dwojakiego rodzaju: te, które dostarczają obrazu i te, które tego nie robią. Do pierwszych zalicza się urządzenia do fluorografii i fluoroskopii rentgenowskiej, w których wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodzi przez badany obiekt, a transmitowane promieniowanie uderza w ekran luminescencyjny lub kliszę fotograficzną. Obraz pojawia się dlatego, że różne części badanego obiektu w różny sposób absorbują promieniowanie – w zależności od grubości substancji i jej składu. W detektorach z ekranem fluorescencyjnym energia promieniowania rentgenowskiego jest przetwarzana na bezpośrednio obserwowalny obraz, natomiast w radiografii jest rejestrowana na czułej emulsji i można ją obserwować dopiero po wywołaniu błony. Do drugiego typu detektorów zalicza się szeroką gamę urządzeń, w których energia promieniowania rentgenowskiego jest przetwarzana na sygnały elektryczne charakteryzujące względne natężenie promieniowania. Należą do nich komory jonizacyjne, liczniki Geigera, liczniki proporcjonalne, liczniki scyntylacyjne i niektóre specjalistyczne detektory siarczku i selenku kadmu. Obecnie za najskuteczniejsze detektory można uznać liczniki scyntylacyjne, które dobrze sprawdzają się w szerokim zakresie energii.
Zobacz też DETEKTOR CZĄSTEK. Detektor dobierany jest z uwzględnieniem warunków zadania. Na przykład, jeśli chcesz dokładnie zmierzyć natężenie ugiętego promieniowania rentgenowskiego, stosuje się liczniki, które pozwalają na dokonywanie pomiarów z dokładnością do ułamka procenta. Jeżeli zachodzi potrzeba zarejestrowania dużej liczby ugiętych wiązek, wskazane jest zastosowanie kliszy rentgenowskiej, chociaż w tym przypadku nie da się określić natężenia z taką samą dokładnością.
DEFEKTOSKOPIA RTG I GAMMA
Jednym z najczęstszych zastosowań promieni rentgenowskich w przemyśle jest kontrola jakości materiałów i wykrywanie wad. Metoda rentgenowska ma charakter nieniszczący, dzięki czemu badany materiał, jeśli spełnia niezbędne wymagania, może być następnie wykorzystany zgodnie z jego przeznaczeniem. Zarówno detekcja wad rentgenowskich, jak i gamma opiera się na zdolności penetracji promieniowania rentgenowskiego i charakterystyce jego absorpcji w materiałach. Siła penetracji zależy od energii fotonów promieniowania rentgenowskiego, która zależy od napięcia przyspieszającego w lampie rentgenowskiej. Dlatego grube próbki i próbki wykonane z metali ciężkich, takich jak złoto i uran, do ich badania wymagają źródła promieni rentgenowskich o wyższym napięciu, natomiast w przypadku cienkich próbek wystarczające jest źródło o niższym napięciu. Do wykrywania wad gamma bardzo dużych odlewów i dużych wyrobów walcowanych stosuje się betatrony i akceleratory liniowe, przyspieszające cząstki do energii 25 MeV lub więcej. Absorpcja promieniowania rentgenowskiego w materiale zależy od grubości absorbera d oraz współczynnika absorpcji m i jest określona wzorem I = I0e-md, gdzie I to natężenie promieniowania przechodzącego przez absorber, I0 to intensywność padającego promieniowania, a e = 2,718 jest podstawą logarytmów naturalnych. Dla danego materiału przy danej długości fali (lub energii) promieniowania rentgenowskiego współczynnik absorpcji jest stały. Jednak promieniowanie źródła promieniowania rentgenowskiego nie jest monochromatyczne, ale zawiera szerokie spektrum długości fal, w wyniku czego absorpcja przy tej samej grubości absorbera zależy od długości fali (częstotliwości) promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie jest szeroko stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu związanych z obróbką metali. Stosowany jest także do badania luf artyleryjskich, produktów spożywczych, tworzyw sztucznych oraz do badania skomplikowanych urządzeń i systemów w technice elektronicznej. (Do podobnych celów wykorzystuje się neutronografię, w której zamiast promieni rentgenowskich wykorzystuje się wiązki neutronów.) Promienie rentgenowskie wykorzystuje się również do innych celów, takich jak badanie obrazów w celu ustalenia ich autentyczności lub wykrywanie dodatkowych warstw farby na wierzchu warstwy podstawowej .
DYFRAKCJA RENTGENOWSKA
Dyfrakcja promieni rentgenowskich dostarcza ważnych informacji o ciałach stałych – ich strukturze atomowej i kształcie kryształu – a także o cieczach, ciałach amorficznych i dużych cząsteczkach. Metodę dyfrakcyjną wykorzystuje się także do dokładnego (z błędem mniejszym niż 10-5) wyznaczania odległości międzyatomowych, identyfikacji naprężeń i defektów oraz określania orientacji monokryształów. Za pomocą obrazu dyfrakcyjnego można zidentyfikować nieznane materiały, a także wykryć obecność zanieczyszczeń w próbce i je zidentyfikować. Trudno przecenić znaczenie metody dyfrakcji promieni rentgenowskich dla postępu współczesnej fizyki, gdyż współczesne rozumienie właściwości materii ostatecznie opiera się na danych dotyczących rozmieszczenia atomów w różnych związkach chemicznych, charakteru wiązań między nimi i wady konstrukcyjne. Głównym narzędziem uzyskiwania tych informacji jest metoda dyfrakcji promieni rentgenowskich. Krystalografia dyfrakcyjna promieni rentgenowskich ma kluczowe znaczenie dla określenia struktury złożonych dużych cząsteczek, takich jak cząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA), będące materiałem genetycznym organizmów żywych. Zaraz po odkryciu promieni rentgenowskich zainteresowanie naukowe i medyczne skupiło się zarówno na zdolności tego promieniowania do przenikania przez organizm, jak i na jego naturze. Doświadczenia nad dyfrakcją promieniowania rentgenowskiego na szczelinach i siatkach dyfrakcyjnych wykazały, że należy ono do promieniowania elektromagnetycznego i ma długość fali rzędu 10-8-10-9 cm, a już wcześniej naukowcy, zwłaszcza W. Barlow, domyślali się, że regularny i symetryczny kształt naturalnych kryształów wynika z uporządkowanego ułożenia atomów tworzących kryształ. W niektórych przypadkach Barlow był w stanie poprawnie przewidzieć strukturę kryształu. Wartość przewidywanych odległości międzyatomowych wynosiła 10-8 cm, a fakt, że odległości międzyatomowe okazały się rzędu długości fali promieniowania rentgenowskiego, pozwolił w zasadzie zaobserwować ich dyfrakcję. W rezultacie powstał projekt jednego z najważniejszych eksperymentów w historii fizyki. M. Laue zorganizował eksperymentalny test tego pomysłu, który przeprowadzili jego koledzy W. Friedrich i P. Knipping. W 1912 roku cała trójka opublikowała pracę dotyczącą wyników dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zasady dyfrakcji promieni rentgenowskich. Aby zrozumieć zjawisko dyfrakcji promieni rentgenowskich, należy rozważyć w kolejności: po pierwsze widmo promieniowania rentgenowskiego, po drugie, naturę struktury kryształu i po trzecie, samo zjawisko dyfrakcji. Jak wspomniano powyżej, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie składa się z szeregu linii widmowych o wysokim stopniu monochromatyczności, określonych przez materiał anody. Za pomocą filtrów możesz wyróżnić te najbardziej intensywne. Dlatego też odpowiednio dobierając materiał anody, można uzyskać źródło promieniowania niemal monochromatycznego o bardzo precyzyjnie określonej długości fali. Charakterystyczne długości fal promieniowania wahają się zazwyczaj od 2,285 dla chromu do 0,558 dla srebra (wartości poszczególnych pierwiastków są znane z sześcioma cyframi znaczącymi). Widmo charakterystyczne nakłada się na widmo ciągłe „białe” o znacznie mniejszym natężeniu, w wyniku hamowania elektronów padających na anodę. W ten sposób z każdej anody można uzyskać dwa rodzaje promieniowania: charakterystyczne i bremsstrahlung, z których każdy odgrywa ważną rolę na swój sposób. Atomy w strukturze krystalicznej ułożone są z regularną okresowością, tworząc sekwencję identycznych komórek – siatkę przestrzenną. Niektóre sieci (takie jak te dla większości powszechnych metali) są dość proste, podczas gdy inne (takie jak te dla cząsteczek białek) są dość złożone. Struktura krystaliczna charakteryzuje się następującą cechą: jeśli przejdziemy od określonego punktu jednej komórki do odpowiedniego punktu sąsiedniej komórki, wówczas odkryte zostanie dokładnie to samo środowisko atomowe. A jeśli określony atom znajduje się w tym czy innym punkcie w jednej komórce, to ten sam atom będzie zlokalizowany w równoważnym punkcie w dowolnej sąsiedniej komórce. Zasada ta obowiązuje ściśle w przypadku doskonałego, idealnie uporządkowanego kryształu. Jednakże wiele kryształów (na przykład stałe roztwory metali) jest w takim czy innym stopniu nieuporządkowane, tj. miejsca równoważne krystalograficznie mogą być zajęte przez różne atomy. W takich przypadkach nie określa się położenia każdego atomu, ale jedynie położenie atomu „statystycznie uśrednione” na dużej liczbie cząstek (lub komórek). Zjawisko dyfrakcji zostało omówione w artykule OPTYKA i czytelnik może zapoznać się z tym artykułem przed przejściem dalej. Pokazuje, że jeśli fale (na przykład dźwięk, światło, promieniowanie rentgenowskie) przechodzą przez małą szczelinę lub otwór, to ten ostatni można uznać za wtórne źródło fal, a obraz szczeliny lub dziury składa się ze zmiennego światła i ciemne paski. Ponadto, jeśli istnieje okresowa struktura dziur lub szczelin, to w wyniku wzmacniającej i osłabiającej interferencji promieni pochodzących z różnych otworów pojawia się wyraźny wzór dyfrakcyjny. Dyfrakcja promieni rentgenowskich jest zjawiskiem kolektywnego rozpraszania, w którym rolę dziur i centrów rozpraszania pełnią okresowo rozmieszczone atomy struktury krystalicznej. Wzajemne wzmocnienie ich obrazów pod pewnymi kątami daje wzór dyfrakcyjny podobny do tego, który powstałby, gdy światło ulegałoby dyfrakcji na trójwymiarowej siatce dyfrakcyjnej. Rozpraszanie zachodzi w wyniku interakcji padającego promieniowania rentgenowskiego z elektronami w krysztale. Ze względu na fakt, że długość fali promieni rentgenowskich jest tego samego rzędu wielkości co wielkość atomu, długość fali rozproszonych promieni rentgenowskich jest taka sama, jak długość fali padających promieni rentgenowskich. Proces ten jest wynikiem wymuszonych oscylacji elektronów pod wpływem padającego promieniowania rentgenowskiego. Rozważmy teraz atom z chmurą związanych elektronów (otaczającą jądro), na który pada promieniowanie rentgenowskie. Elektrony we wszystkich kierunkach jednocześnie rozpraszają padające promieniowanie i emitują własne promieniowanie rentgenowskie o tej samej długości fali, chociaż o różnym natężeniu. Intensywność rozproszonego promieniowania jest powiązana z liczbą atomową pierwiastka, ponieważ liczba atomowa jest równa liczbie elektronów orbitalnych, które mogą brać udział w rozpraszaniu. (Ta zależność natężenia od liczby atomowej elementu rozpraszającego i od kierunku pomiaru natężenia charakteryzuje się atomowym współczynnikiem rozpraszania, który odgrywa niezwykle ważną rolę w analizie struktury kryształów.) Zajmijmy się tym. wybierz w strukturze kryształu liniowy łańcuch atomów znajdujących się w tej samej odległości od siebie i rozważ ich wzór dyfrakcyjny. Zauważono już, że widmo rentgenowskie składa się z części ciągłej („kontinuum”) oraz zestawu linii o większym natężeniu, charakterystycznych dla pierwiastka będącego materiałem anody. Powiedzmy, że przefiltrowaliśmy widmo ciągłe i otrzymaliśmy prawie monochromatyczną wiązkę promieni rentgenowskich skierowaną na nasz liniowy łańcuch atomów. Warunek wzmocnienia (interferencji wzmacniającej) jest spełniony, jeśli różnica dróg fal rozproszonych przez sąsiednie atomy jest wielokrotnością długości fali. Jeżeli wiązka pada pod kątem a0 na linię atomów oddzielonych odstępami a (okresem), to dla kąta dyfrakcji a różnicę dróg odpowiadającą wzmocnieniu zapiszemy jako a(cos a – cosa0) = hl, gdzie l to długość fali, a h liczba całkowita (rys. 4 i 5).

Aby rozszerzyć to podejście na trójwymiarowy kryształ, wystarczy wybrać rzędy atomów wzdłuż dwóch innych kierunków kryształu i rozwiązać trzy otrzymane w ten sposób równania łącznie dla trzech osi kryształu z okresami a, b i c. Pozostałe dwa równania mają postać

Są to trzy podstawowe równania Laue'a dotyczące dyfrakcji promieni rentgenowskich, przy czym liczby h, k i c są wskaźnikami Millera dla płaszczyzny dyfrakcji.
Zobacz też KRYSZTAŁY I KRYSTALOGRAFIA. Rozważając którekolwiek z równań Lauego, na przykład pierwsze, można zauważyć, że skoro a, a0, l są stałymi, a h = 0, 1, 2, ..., to jego rozwiązanie można przedstawić w postaci zbioru stożków o wspólna oś a (ryc. 5). To samo dotyczy kierunków b i c. W ogólnym przypadku rozpraszania trójwymiarowego (dyfrakcji) trzy równania Lauego muszą mieć wspólne rozwiązanie, tj. trzy stożki dyfrakcyjne umieszczone na każdej z osi muszą się przecinać; ogólną linię przecięcia pokazano na ryc. 6. Wspólne rozwiązanie równań prowadzi do prawa Bragga-Wolfe'a:

l = 2(d/n)sinq, gdzie d to odległość pomiędzy płaszczyznami o wskaźnikach h, k i c (okres), n = 1, 2, ... to liczby całkowite (rząd dyfrakcji), a q to kąt utworzył wiązkę padającą (oraz dyfrakcyjną) z płaszczyzną kryształu, w której zachodzi dyfrakcja. Analizując równanie prawa Bragga-Wolfe’a dla monokryształu znajdującego się na drodze monochromatycznej wiązki promieniowania rentgenowskiego, możemy stwierdzić, że dyfrakcja nie jest łatwa do zaobserwowania, ponieważ wielkości l i q są stałe, a sinq METODY ANALIZY DYFRAKCYJNEJ
Metoda Lauego. Metoda Laue wykorzystuje ciągłe „białe” widmo promieniowania rentgenowskiego, które jest skierowane na nieruchomy monokryształ. Dla określonej wartości okresu d z całego widma automatycznie wybierana jest długość fali odpowiadająca warunkowi Bragga-Wulfa. Uzyskane w ten sposób Lauegramy pozwalają ocenić kierunki ugiętych wiązek, a co za tym idzie orientację płaszczyzn kryształu, co pozwala również na wyciągnięcie ważnych wniosków dotyczących symetrii, orientacji kryształu i obecności występujących w nim wad. W tym przypadku jednak tracona jest informacja o okresie przestrzennym d. Na ryc. 7 pokazuje przykład Lauegramu. Błona rentgenowska znajdowała się po stronie kryształu przeciwnej do tej, na którą padała wiązka promieniowania rentgenowskiego ze źródła.

Metoda Debye’a-Scherrera (dla próbek polikrystalicznych). W odróżnieniu od poprzedniej metody stosuje się tu promieniowanie monochromatyczne (l = const), a kąt q jest zmienny. Osiąga się to poprzez zastosowanie próbki polikrystalicznej składającej się z wielu małych krystalitów o losowej orientacji, wśród których znajdują się takie, które spełniają warunek Bragga-Wulfa. Ugięte wiązki tworzą stożki, których oś jest skierowana wzdłuż wiązki promieniowania rentgenowskiego. Do obrazowania wykorzystuje się zwykle wąski pasek błony rentgenowskiej w cylindrycznej kasecie, a promienie rentgenowskie rozprowadzane są wzdłuż średnicy przez otwory w błonie. Uzyskany w ten sposób Debyegram (ryc. 8) zawiera dokładne informacje o okresie d, tj. o strukturze kryształu, ale nie dostarcza informacji zawartych w Lauegramie. Dlatego obie metody uzupełniają się. Rozważmy niektóre zastosowania metody Debye'a-Scherrera.

Identyfikacja pierwiastków i związków chemicznych. Wykorzystując kąt q wyznaczony ze diagramu Debye'a, można obliczyć odległość międzypłaszczyznową d charakterystyczną dla danego elementu lub połączenia. Obecnie opracowano wiele tabel wartości d, które umożliwiają identyfikację nie tylko konkretnego pierwiastka lub związku chemicznego, ale także różnych stanów fazowych tej samej substancji, co nie zawsze jest możliwe na podstawie analizy chemicznej. Możliwe jest także określenie z dużą dokładnością zawartości drugiego składnika w stopach podstawieniowych z zależności okresu d od stężenia.
Analiza naprężeń. Na podstawie zmierzonej różnicy odległości międzypłaszczyznowych dla różnych kierunków w kryształach można, znając moduł sprężystości materiału, obliczyć z dużą dokładnością małe w nim naprężenia.
Badania preferencyjnej orientacji w kryształach. Jeśli małe krystality w próbce polikrystalicznej nie są całkowicie losowo zorientowane, wówczas pierścienie we wzorze Debye'a będą miały różną intensywność. W przypadku wyraźnie wyrażonej orientacji preferencyjnej maksima intensywności skupiają się w poszczególnych punktach obrazu, który staje się podobny do obrazu dla pojedynczego kryształu. Na przykład podczas głębokiego walcowania na zimno blacha nabiera tekstury - wyraźnej orientacji krystalitów. Diagram Debye'a można wykorzystać do oceny charakteru obróbki materiału na zimno.
Badanie wielkości ziaren. Jeśli wielkość ziaren polikryształu jest większa niż 10-3 cm, wówczas linie na diagramie Debye'a będą składać się z pojedynczych punktów, ponieważ w tym przypadku liczba krystalitów nie jest wystarczająca do pokrycia całego zakresu kątów q. Jeżeli wielkość krystalitu jest mniejsza niż 10-5 cm, wówczas linie dyfrakcyjne stają się szersze. Ich szerokość jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości krystalitów. Poszerzenie następuje z tego samego powodu, dla którego gdy zmniejsza się liczba szczelin, maleje rozdzielczość siatki dyfrakcyjnej. Promieniowanie rentgenowskie umożliwia określenie wielkości ziaren w zakresie 10-7-10-6 cm.
Metody dla monokryształów. Aby dyfrakcja na krysztale dostarczyła informacji nie tylko o okresie przestrzennym, ale także o orientacji każdego zestawu płaszczyzn dyfrakcyjnych, stosuje się metody rotacyjnego monokryształu. Na kryształ pada monochromatyczna wiązka promieni rentgenowskich. Kryształ obraca się wokół głównej osi, dla czego spełnione są równania Laue. W tym przypadku zmienia się kąt q zawarty we wzorze Bragga-Wulfa. Maksima dyfrakcyjne znajdują się na przecięciu stożków dyfrakcyjnych Lauego z cylindryczną powierzchnią błony (ryc. 9). W rezultacie otrzymujemy obraz dyfrakcyjny typu pokazanego na ryc. 10. Możliwe są jednak komplikacje ze względu na nakładanie się w jednym punkcie różnych rzędów dyfrakcji. Metodę można znacznie ulepszyć, jeśli jednocześnie z obrotem kryształu poruszy się folię w określony sposób.

Badania cieczy i gazów. Wiadomo, że ciecze, gazy i ciała amorficzne nie mają prawidłowej struktury krystalicznej. Ale i tutaj istnieje wiązanie chemiczne między atomami w cząsteczkach, dzięki czemu odległość między nimi pozostaje prawie stała, chociaż same cząsteczki są losowo zorientowane w przestrzeni. Materiały takie dają również obraz dyfrakcyjny ze stosunkowo małą liczbą rozmytych maksimów. Przetwarzanie takiego obrazu nowoczesnymi metodami pozwala uzyskać informacje o strukturze nawet tak niekrystalicznych materiałów.
SPEKTROCHEMICZNA ANALIZA RENTGENOWSKA
Zaledwie kilka lat po odkryciu promieni rentgenowskich Charles Barkla (1877-1944) odkrył, że gdy substancję poddaje się działaniu strumienia rentgenowskiego o wysokiej energii, powstają wtórne fluorescencyjne promienie rentgenowskie, charakterystyczne dla badanego pierwiastka. Wkrótce potem G. Moseley w serii eksperymentów zmierzył długości fal pierwotnego charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego uzyskanego w wyniku bombardowania elektronami różnych pierwiastków i wyprowadził zależność między długością fali a liczbą atomową. Eksperymenty te, a także wynalezienie przez Bragga spektrometru rentgenowskiego, położyły podwaliny pod spektrochemiczną analizę rentgenowską. Natychmiast zdano sobie sprawę z potencjału promieni rentgenowskich w analizie chemicznej. Spektrografy wykonano poprzez zapis na kliszy fotograficznej, w której badana próbka służyła jako anoda lampy rentgenowskiej. Niestety technika ta okazała się bardzo pracochłonna i dlatego stosowano ją jedynie wtedy, gdy nie można było zastosować konwencjonalnych metod analizy chemicznej. Wybitnym przykładem innowacyjnych badań w dziedzinie analitycznej spektroskopii rentgenowskiej było odkrycie w 1923 roku przez G. Hevesy'ego i D. Costera nowego pierwiastka, hafnu. Rozwój potężnych lamp rentgenowskich do radiografii i czułych detektorów do pomiarów radiochemicznych podczas II wojny światowej w dużej mierze przyczynił się do szybkiego rozwoju spektrografii rentgenowskiej w kolejnych latach. Metoda ta stała się powszechna ze względu na szybkość, wygodę, nieniszczący charakter analizy oraz możliwość pełnej lub częściowej automatyzacji. Znajduje zastosowanie w zadaniach analizy ilościowej i jakościowej wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż 11 (sód). Chociaż rentgenowska analiza spektrochemiczna jest zwykle stosowana do określenia krytycznych składników próbki (0,1–100%), w niektórych przypadkach jest przydatna w przypadku stężeń 0,005% lub nawet niższych.
Spektrometr rentgenowski. Nowoczesny spektrometr rentgenowski składa się z trzech głównych układów (rys. 11): układu wzbudzenia, tj. Lampa rentgenowska z anodą wykonaną z wolframu lub innego materiału ogniotrwałego i zasilaczem; systemy analityczne, tj. kryształ analizatora z dwoma kolimatorami wieloszczelinowymi oraz spektrogoniometr do precyzyjnej regulacji; i układy rejestrujące z licznikiem Geigera lub licznikiem proporcjonalnym lub scyntylacyjnym, a także prostownikiem, wzmacniaczem, urządzeniami skalującymi oraz rejestratorem lub innym urządzeniem rejestrującym.

Analiza fluorescencji rentgenowskiej. Analizowana próbka znajduje się na drodze ekscytującego promieniowania rentgenowskiego. Badany obszar próbki jest zwykle izolowany maską z otworem o wymaganej średnicy, a promieniowanie przechodzi przez kolimator tworzący wiązkę równoległą. Za kryształem analizatora kolimator szczelinowy wytwarza ugięte promieniowanie dla detektora. Zwykle maksymalny kąt q jest ograniczony do 80-85°, tak że tylko promieniowanie rentgenowskie, którego długość fali l jest powiązana z odległością międzypłaszczyznową d przez nierówność l, może uginać się na krysztale analizatora Mikroanaliza rentgenowska. Opisany powyżej spektrometr z analizatorem płaskich kryształów można przystosować do mikroanalizy. Osiąga się to poprzez zwężenie pierwotnej wiązki promieniowania rentgenowskiego lub wiązki wtórnej emitowanej przez próbkę. Jednakże zmniejszenie efektywnej wielkości próbki lub apertury promieniowania prowadzi do zmniejszenia intensywności rejestrowanego promieniowania ugiętego. Udoskonalenie tej metody można uzyskać stosując spektrometr z zakrzywionym kryształem, który umożliwia rejestrację stożka promieniowania rozbieżnego, a nie tylko promieniowania równoległego do osi kolimatora. Za pomocą takiego spektrometru można zidentyfikować cząstki mniejsze niż 25 mikronów. Jeszcze większe zmniejszenie wielkości analizowanej próbki uzyskuje się w mikroanalizatorze rentgenowskim z sondą elektronową, wynalezionym przez R. Kastena. W tym przypadku silnie skupiona wiązka elektronów wzbudza charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie próbki, które jest następnie analizowane za pomocą spektrometru z zakrzywionym kryształem. Za pomocą takiego urządzenia można wykryć ilości substancji rzędu 10-14 g w próbce o średnicy 1 mikrona. Opracowano także instalacje skanujące próbkę wiązką elektronów, za pomocą których można uzyskać dwuwymiarowy obraz rozkładu na próbce pierwiastka, na którego promieniowanie charakterystyczne dostrojony jest spektrometr.
MEDYCZNA DIAGNOSTYKA RTG
Rozwój technologii rentgenowskiej umożliwił znaczne skrócenie czasu naświetlania i poprawę jakości obrazów, umożliwiając badanie nawet tkanek miękkich.
Fluorografia. Ta metoda diagnostyczna polega na sfotografowaniu obrazu cienia z ekranu transmisyjnego. Pacjenta umieszcza się pomiędzy źródłem promieniowania rentgenowskiego a płaskim ekranem fosforowym (zwykle jodkiem cezu), który świeci pod wpływem promieni rentgenowskich. Tkanki biologiczne o różnym stopniu gęstości tworzą cienie rentgenowskie o różnym stopniu intensywności. Radiolog bada obraz cienia na ekranie fluorescencyjnym i stawia diagnozę. W przeszłości radiolog przy analizie obrazów polegał na wzroku. Obecnie istnieje wiele systemów poprawiających obraz, wyświetlających go na ekranie telewizora lub zapisujących dane w pamięci komputera.
Radiografia. Zapisywanie zdjęć rentgenowskich bezpośrednio na kliszy fotograficznej nazywa się radiografią. W tym przypadku badany narząd znajduje się pomiędzy źródłem promieni rentgenowskich a kliszą fotograficzną, która rejestruje informację o stanie narządu w danym momencie. Powtarzana radiografia pozwala ocenić jego dalszą ewolucję. Radiografia pozwala bardzo dokładnie zbadać integralność tkanki kostnej, która składa się głównie z wapnia i jest nieprzezroczysta dla promieniowania rentgenowskiego, a także pęknięć tkanki mięśniowej. Za jego pomocą, lepiej niż stetoskop czy osłuch, analizowany jest stan płuc pod kątem stanu zapalnego, gruźlicy czy obecności płynu. Promieniowanie rentgenowskie służy do określenia wielkości i kształtu serca, a także dynamiki jego zmian u pacjentów cierpiących na choroby serca.
Środki kontrastowe. Części ciała i jamy poszczególnych narządów przezroczyste dla promieniowania rentgenowskiego stają się widoczne, jeśli zostaną wypełnione środkiem kontrastowym, który jest nieszkodliwy dla organizmu, ale pozwala na wizualizację kształtu narządów wewnętrznych i sprawdzenie ich funkcjonowania. Pacjent przyjmuje środki kontrastowe doustnie (np. sole baru podczas badania przewodu pokarmowego) lub podaje je dożylnie (np. roztwory zawierające jod podczas badania nerek i dróg moczowych). W ostatnich latach metody te zostały jednak zastąpione metodami diagnostycznymi opartymi na wykorzystaniu atomów radioaktywnych i ultradźwięków.
Tomografia komputerowa. W latach 70. XX w. opracowano nową metodę diagnostyki rentgenowskiej, polegającą na filmowaniu całego ciała lub jego części. Obrazy składające się z cienkich warstw („plasterków”) są przetwarzane komputerowo, a finalny obraz wyświetlany jest na ekranie monitora. Metoda ta nazywana jest tomografią komputerową. Jest szeroko stosowana we współczesnej medycynie do diagnostyki nacieków, nowotworów i innych schorzeń mózgu, a także do diagnostyki chorób tkanek miękkich wewnątrz organizmu. Technika ta nie wymaga wprowadzania obcych środków kontrastowych, dzięki czemu jest szybsza i skuteczniejsza od technik tradycyjnych.
BIOLOGICZNE DZIAŁANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO
Szkodliwe biologiczne skutki promieniowania rentgenowskiego odkryto wkrótce po jego odkryciu przez Roentgena. Okazało się, że nowe promieniowanie może wywołać coś w rodzaju silnego oparzenia słonecznego (rumień), któremu jednak towarzyszy głębsze i trwalsze uszkodzenie skóry. Pojawiające się wrzody często przeradzały się w nowotwór. W wielu przypadkach konieczna była amputacja palców lub dłoni. Były też zgony. Stwierdzono, że uszkodzeń skóry można uniknąć, skracając czas i dawkę ekspozycji, stosując osłony (np. ołów) i piloty zdalnego sterowania. Stopniowo pojawiały się jednak inne, bardziej długoterminowe konsekwencje naświetlania promieniami rentgenowskimi, które następnie potwierdzono i zbadano na zwierzętach doświadczalnych. Do skutków wywoływanych przez promieniowanie rentgenowskie, a także inne promieniowanie jonizujące (takie jak promieniowanie gamma emitowane przez materiały radioaktywne) zalicza się: 1) przejściowe zmiany w składzie krwi po stosunkowo niewielkim nadmiernym narażeniu; 2) nieodwracalne zmiany w składzie krwi (niedokrwistość hemolityczna) po długotrwałym nadmiernym naświetlaniu; 3) zwiększona zapadalność na nowotwory (w tym białaczkę); 4) szybsze starzenie się i wcześniejsza śmierć; 5) występowanie zaćmy. Ponadto eksperymenty biologiczne na myszach, królikach i muszkach owocowych wykazały, że nawet małe dawki systematycznego napromieniania dużych populacji w wyniku wzrostu tempa mutacji prowadzą do szkodliwych skutków genetycznych. Większość genetyków uznaje możliwość zastosowania tych danych w odniesieniu do organizmu ludzkiego. O biologicznym wpływie promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka decyduje wysokość dawki promieniowania oraz to, który narząd ciała został napromieniowany. Na przykład choroby krwi są spowodowane napromienianiem narządów krwiotwórczych, głównie szpiku kostnego, a konsekwencje genetyczne są spowodowane napromienianiem narządów płciowych, co może również prowadzić do bezpłodności. Nagromadzenie wiedzy na temat wpływu promieniowania rentgenowskiego na organizm człowieka doprowadziło do opracowania krajowych i międzynarodowych standardów dopuszczalnych dawek promieniowania, publikowanych w różnych publikacjach referencyjnych. Oprócz promieniowania rentgenowskiego, które jest celowo wykorzystywane przez człowieka, istnieje również tzw. rozproszone, boczne promieniowanie, które powstaje z różnych powodów, np. na skutek rozproszenia na skutek niedoskonałości ołowianego ekranu ochronnego, które nie nie pochłaniają całkowicie tego promieniowania. Ponadto wiele urządzeń elektrycznych, które nie są przeznaczone do wytwarzania promieni rentgenowskich, mimo to generuje je jako produkt uboczny. Do takich urządzeń zaliczają się mikroskopy elektronowe, lampy prostownicze wysokiego napięcia (kenotrony), a także lampy obrazowe przestarzałych telewizorów kolorowych. Produkcja nowoczesnych kolorowych kineskopów w wielu krajach znajduje się obecnie pod kontrolą rządu.
ZAGROŻENIA PROMIENIOWANIEM RENTGENOWSKIM
Rodzaje i stopień zagrożenia promieniowaniem rentgenowskim dla ludzi zależą od liczby osób narażonych na promieniowanie.
Specjaliści pracujący ze sprzętem rentgenowskim. Do tej kategorii zaliczają się radiologowie, dentyści, a także pracownicy naukowo-techniczni oraz personel zajmujący się konserwacją i użytkowaniem sprzętu rentgenowskiego. Podejmowane są skuteczne działania mające na celu zmniejszenie poziomu promieniowania, z którym muszą sobie radzić.
Pacjenci. Nie ma ścisłych kryteriów, a bezpieczny poziom promieniowania, jaki otrzymują pacjenci podczas leczenia, ustalają lekarze prowadzący. Lekarzom odradza się niepotrzebne narażanie pacjentów na promieniowanie rentgenowskie. Szczególną ostrożność należy zachować podczas badania kobiet w ciąży i dzieci. W takim przypadku podejmowane są specjalne środki.
Metody kontroli. Należy tutaj zwrócić uwagę na trzy aspekty:
1) dostępność odpowiedniego sprzętu, 2) monitorowanie przestrzegania przepisów bezpieczeństwa, 3) prawidłowe użytkowanie sprzętu. Podczas badań rentgenowskich napromienianiu należy poddać tylko żądany obszar, czy to w przypadku badań stomatologicznych, czy badań płuc. Należy pamiętać, że natychmiast po wyłączeniu aparatu rentgenowskiego znika zarówno promieniowanie pierwotne, jak i wtórne; Nie ma też promieniowania resztkowego, o którym nie zawsze wiedzą nawet ci, którzy mają z nim bezpośredni kontakt poprzez swoją pracę.
Zobacz też
STRUKTURA ATOMOWA;

Promienie rentgenowskie zostały odkryte przez przypadek w 1895 roku przez słynnego niemieckiego fizyka Wilhelma Roentgena. Badał promienie katodowe w niskociśnieniowej lampie wyładowczej przy wysokim napięciu pomiędzy jej elektrodami. Pomimo tego, że lampa znajdowała się w czarnej skrzynce, Roentgen zauważył, że znajdujący się w pobliżu ekran fluorescencyjny świecił za każdym razem, gdy lampa była używana. Rura okazała się źródłem promieniowania, które mogło przeniknąć papier, drewno, szkło, a nawet aluminiową płytę o grubości półtora centymetra.

Badanie rentgenowskie wykazało, że rura wyładowcza jest źródłem nowego rodzaju niewidzialnego promieniowania o dużej sile przenikania. Naukowiec nie był w stanie określić, czy to promieniowanie jest strumieniem cząstek, czy falami, dlatego zdecydował się nadać mu nazwę promieni rentgenowskich. Później nazwano je promieniami rentgenowskimi

Obecnie wiadomo, że promieniowanie rentgenowskie jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego o krótszej długości fali niż ultrafioletowe fale elektromagnetyczne. Długość fali promieni rentgenowskich waha się od 70 nm do 10 -5 nm. Im krótsza długość fali promieni rentgenowskich, tym większa energia ich fotonów i większa ich siła penetracji. Promieniowanie rentgenowskie o stosunkowo dużej długości fali (ponad 10 nm), są nazywane miękki. Długość fali 1 - 10 nm charakteryzuje twardy Promienie rentgenowskie. Mają ogromną siłę penetracji.

Odbiór zdjęć rentgenowskich

Promienie rentgenowskie powstają, gdy szybkie elektrony, czyli promienie katodowe, zderzają się ze ściankami lub anodą niskociśnieniowej lampy wyładowczej. Nowoczesna lampa rentgenowska to próżniowy szklany cylinder, w którym znajdują się katoda i anoda. Różnica potencjałów pomiędzy katodą i anodą (antykatodą) sięga kilkuset kilowoltów. Katoda to włókno wolframowe podgrzewane prądem elektrycznym. Powoduje to, że katoda emituje elektrony w wyniku emisji termojonowej. Elektrony są przyspieszane przez pole elektryczne w lampie rentgenowskiej. Ponieważ w rurze znajduje się bardzo mała liczba cząsteczek gazu, elektrony praktycznie nie tracą energii w drodze do anody. Docierają do anody z bardzo dużą prędkością.

Promienie rentgenowskie powstają, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością są spowalniane przez materiał anody. Większość energii elektronów jest rozpraszana w postaci ciepła. Dlatego anoda musi być sztucznie chłodzona. Anoda lampy rentgenowskiej musi być wykonana z metalu o wysokiej temperaturze topnienia, np. wolframu.

Część energii, która nie jest rozpraszana w postaci ciepła, zamieniana jest na energię fal elektromagnetycznych (promieni rentgenowskich). Zatem promienie rentgenowskie są wynikiem bombardowania substancji anody elektronami. Istnieją dwa rodzaje promieni rentgenowskich: bremsstrahlung i charakterystyczne.

Rentgen Bremsstrahlunga

Promieniowanie rentgenowskie Bremsstrahlung występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością są spowalniane przez pola elektryczne atomów anody. Warunki zatrzymania poszczególnych elektronów nie są takie same. W rezultacie różne części ich energii kinetycznej są przekształcane w energię promieniowania rentgenowskiego.

Widmo promieni rentgenowskich bremsstrahlung nie zależy od rodzaju substancji anodowej. Jak wiadomo, energia fotonów rentgenowskich określa ich częstotliwość i długość fali. Dlatego bremsstrahlung promieniowania rentgenowskiego nie jest monochromatyczny. Charakteryzuje się różnorodnością długości fal, które można reprezentować widmo ciągłe (ciągłe).

Promienie rentgenowskie nie mogą mieć energii większej niż energia kinetyczna elektronów, które je tworzą. Najkrótsza długość fali promieniowania rentgenowskiego odpowiada maksymalnej energii kinetycznej zwalniających elektronów. Im większa różnica potencjałów w lampie rentgenowskiej, tym krótsze długości fal promieniowania rentgenowskiego można uzyskać.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie nie jest ciągłe, ale widmo liniowe. Ten rodzaj promieniowania występuje, gdy szybki elektron docierając do anody, penetruje wewnętrzne orbitale atomów i wybija jeden z ich elektronów. W rezultacie pojawia się wolna przestrzeń, którą może wypełnić inny elektron opadający z jednego z górnych orbitali atomowych. To przejście elektronu z wyższego na niższy poziom energii wytwarza promieniowanie rentgenowskie o określonej dyskretnej długości fali. Dlatego charakterystyczne jest promieniowanie rentgenowskie widmo liniowe. Częstotliwość charakterystycznych linii promieniowania zależy całkowicie od struktury orbitali elektronowych atomów anody.

Linie widma charakterystycznego promieniowania różnych pierwiastków chemicznych mają ten sam wygląd, ponieważ struktura ich wewnętrznych orbitali elektronowych jest identyczna. Jednak ich długość fali i częstotliwość wynikają z różnic energetycznych między wewnętrznymi orbitalami ciężkich i lekkich atomów.

Częstotliwość linii w widmie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego zmienia się zgodnie z liczbą atomową metalu i jest określona równaniem Moseleya: v 1/2 = A(Z-B), Gdzie Z- liczba atomowa pierwiastka chemicznego, A I B- stałe.

Podstawowe mechanizmy fizyczne oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią

Podstawową interakcję między promieniami rentgenowskimi a materią charakteryzują trzy mechanizmy:

1. Rozpraszanie spójne. Ta forma interakcji zachodzi, gdy fotony promieniowania rentgenowskiego mają energię mniejszą niż energia wiązania elektronów z jądrem atomowym. W tym przypadku energia fotonów nie jest wystarczająca do uwolnienia elektronów z atomów substancji. Foton nie jest absorbowany przez atom, lecz zmienia kierunek propagacji. W tym przypadku długość fali promieniowania rentgenowskiego pozostaje niezmieniona.

2. Efekt fotoelektryczny (efekt fotoelektryczny). Kiedy foton promieniowania rentgenowskiego dociera do atomu substancji, może wybić jeden z elektronów. Dzieje się tak, jeśli energia fotonu przekracza energię wiązania elektronu z jądrem. W tym przypadku foton jest absorbowany, a elektron uwalniany z atomu. Jeśli foton niesie więcej energii, niż potrzeba do uwolnienia elektronu, resztę energii przekaże uwolnionemu elektronowi w postaci energii kinetycznej. Zjawisko to, zwane efektem fotoelektrycznym, występuje, gdy pochłaniane jest promieniowanie rentgenowskie o stosunkowo niskiej energii.

Atom, który utraci jeden ze swoich elektronów, staje się jonem dodatnim. Czas życia wolnych elektronów jest bardzo krótki. Są pochłaniane przez neutralne atomy, które zamieniają się w jony ujemne. Skutkiem efektu fotoelektrycznego jest intensywna jonizacja substancji.

Jeśli energia fotonu rentgenowskiego jest mniejsza niż energia jonizacji atomów, wówczas atomy przechodzą w stan wzbudzony, ale nie są zjonizowane.

3. Rozpraszanie niespójne (efekt Comptona). Efekt ten odkrył amerykański fizyk Compton. Występuje, gdy substancja pochłania promieniowanie rentgenowskie o krótkiej długości fali. Energia fotonów takich promieni rentgenowskich jest zawsze większa niż energia jonizacji atomów substancji. Efekt Comptona wynika z oddziaływania wysokoenergetycznego fotonu promieniowania rentgenowskiego z jednym z elektronów w zewnętrznej powłoce atomu, który ma stosunkowo słabe połączenie z jądrem atomowym.

Foton o wysokiej energii przekazuje część swojej energii elektronowi. Wzbudzony elektron zostaje uwolniony z atomu. Pozostała energia pierwotnego fotonu jest emitowana jako foton promieniowania rentgenowskiego o większej długości fali pod pewnym kątem do kierunku ruchu pierwotnego fotonu. Foton wtórny może zjonizować inny atom itp. Te zmiany kierunku i długości fali promieni rentgenowskich znane są jako efekt Comptona.

Niektóre skutki oddziaływania promieni rentgenowskich z materią

Jak wspomniano powyżej, promienie rentgenowskie mogą wzbudzać atomy i cząsteczki materii. Może to powodować fluorescencję niektórych substancji (takich jak siarczan cynku). Jeśli równoległą wiązkę promieni rentgenowskich skierujemy na nieprzezroczyste obiekty, można zaobserwować, jak promienie przechodzą przez obiekt, umieszczając ekran pokryty substancją fluorescencyjną.

Ekran fluorescencyjny można zastąpić kliszą fotograficzną. Promienie rentgenowskie mają taki sam wpływ na emulsję fotograficzną jak światło. Obie metody są stosowane w medycynie praktycznej.

Innym ważnym efektem promieni rentgenowskich jest ich zdolność jonizująca. Zależy to od ich długości fali i energii. Efekt ten zapewnia metodę pomiaru intensywności promieni rentgenowskich. Kiedy promienie rentgenowskie przechodzą przez komorę jonizacyjną, generowany jest prąd elektryczny, którego wielkość jest proporcjonalna do intensywności promieniowania rentgenowskiego.

Absorpcja promieni rentgenowskich przez materię

Gdy promienie rentgenowskie przechodzą przez materię, ich energia maleje w wyniku absorpcji i rozpraszania. Osłabienie intensywności równoległej wiązki promieni rentgenowskich przechodzącej przez substancję określa prawo Bouguera: I = I0 e -μd, Gdzie ja 0- początkowe natężenie promieniowania rentgenowskiego; I- natężenie promieni rentgenowskich przechodzących przez warstwę materii, D- grubość warstwy chłonnej , μ - współczynnik tłumienia liniowego. Jest równa sumie dwóch wielkości: T- liniowy współczynnik absorpcji i σ - współczynnik rozproszenia liniowego: μ = τ+ σ

Eksperymenty wykazały, że współczynnik absorpcji liniowej zależy od liczby atomowej substancji i długości fali promieni rentgenowskich:

τ = kρZ 3 λ 3, Gdzie k- współczynnik bezpośredniej proporcjonalności, ρ - gęstość substancji, Z- liczba atomowa pierwiastka, λ - długość fali promieni rentgenowskich.

Zależność od Z jest bardzo istotna z praktycznego punktu widzenia. Na przykład współczynnik absorpcji kości składających się z fosforanu wapnia jest prawie 150 razy wyższy niż tkanki miękkiej ( Z=20 dla wapnia i Z=15 dla fosforu). Kiedy promienie rentgenowskie przechodzą przez ludzkie ciało, kości wyraźnie wyróżniają się na tle mięśni, tkanki łącznej itp.

Wiadomo, że narządy trawienne mają taki sam współczynnik wchłaniania jak inne tkanki miękkie. Ale cień przełyku, żołądka i jelit można rozróżnić, jeśli pacjent przyjmuje środek kontrastowy - siarczan baru ( Z= 56 dla baru). Siarczan baru jest bardzo nieprzezroczysty dla promieni rentgenowskich i jest często stosowany do badań rentgenowskich przewodu żołądkowo-jelitowego. Pewne nieprzezroczyste mieszaniny wstrzykiwane są do krwioobiegu w celu zbadania stanu naczyń krwionośnych, nerek itp. W tym przypadku jako środek kontrastowy stosuje się jod, którego liczba atomowa wynosi 53.

Zależność absorpcji promieniowania rentgenowskiego od Z stosowany również w celu ochrony przed możliwym szkodliwym działaniem promieni rentgenowskich. W tym celu wykorzystuje się ołów w ilości Z dla którego jest równa 82.

Zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie

Powodem zastosowania promieni rentgenowskich w diagnostyce była ich wysoka zdolność penetracji, jedna z głównych właściwości promieniowania rentgenowskiego. W pierwszych dniach po odkryciu promieni rentgenowskich używano głównie do badania złamań kości i określania lokalizacji ciał obcych (takich jak kule) w organizmie człowieka. Obecnie stosuje się kilka metod diagnostycznych wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie (diagnostyka rentgenowska).

Rentgen . Urządzenie rentgenowskie składa się ze źródła promieniowania rentgenowskiego (lampy rentgenowskiej) i ekranu fluorescencyjnego. Po przejściu promieni rentgenowskich przez ciało pacjenta lekarz obserwuje jego cień. Pomiędzy ekranem a oczami lekarza należy zainstalować okienko ołowiane, aby chronić go przed szkodliwym działaniem promieni rentgenowskich. Metoda ta umożliwia badanie stanu funkcjonalnego niektórych narządów. Na przykład lekarz może bezpośrednio obserwować ruchy płuc i przepływ środka kontrastowego przez przewód żołądkowo-jelitowy. Wadami tej metody są niewystarczająco kontrastowe obrazy oraz stosunkowo duże dawki promieniowania otrzymywane przez pacjenta podczas zabiegu.

Fluorografia . Metoda ta polega na wykonaniu zdjęcia fragmentu ciała pacjenta. Stosowane są najczęściej do wstępnego badania stanu narządów wewnętrznych pacjentów przy użyciu małych dawek promieniowania rentgenowskiego.

Radiografia. (radiografia rentgenowska). Jest to metoda badawcza wykorzystująca promieniowanie rentgenowskie, podczas której obraz zostaje zarejestrowany na kliszy fotograficznej. Zdjęcia są zwykle wykonywane w dwóch prostopadłych płaszczyznach. Ta metoda ma pewne zalety. Zdjęcia rentgenowskie zawierają więcej szczegółów niż ekran fluorescencyjny i dlatego dostarczają więcej informacji. Można je zapisać do dalszej analizy. Całkowita dawka promieniowania jest mniejsza niż stosowana we fluoroskopii.

Tomografia komputerowa rentgenowska . Wyposażony w technologię komputerową tomograf osiowy jest najnowocześniejszym urządzeniem do diagnostyki rentgenowskiej, pozwalającym uzyskać wyraźny obraz dowolnej części ciała człowieka, w tym tkanek miękkich narządów.

Pierwsza generacja skanerów tomografii komputerowej (CT) zawiera specjalną lampę rentgenowską przymocowaną do cylindrycznej ramy. Na pacjenta kierowana jest cienka wiązka promieni rentgenowskich. Po przeciwnej stronie ramy przymocowane są dwa detektory promieni rentgenowskich. Pacjent znajduje się pośrodku ramy, która może obracać się wokół jego ciała o 180°.

Wiązka promieniowania rentgenowskiego przechodzi przez nieruchomy obiekt. Detektory uzyskują i rejestrują wartości absorpcji różnych tkanek. Zapisy wykonywane są 160 razy, podczas gdy lampa rentgenowska porusza się liniowo wzdłuż skanowanej płaszczyzny. Następnie ramkę obraca się o 1 0 i procedurę powtarza się. Nagrywanie trwa do momentu, aż klatka obróci się o 180 0 . Każdy detektor rejestruje w trakcie badania 28 800 klatek (180x160). Informacje przetwarzane są przez komputer, a obraz wybranej warstwy tworzony jest za pomocą specjalnego programu komputerowego.

Tomografia komputerowa drugiej generacji wykorzystuje kilka wiązek promieniowania rentgenowskiego i do 30 detektorów promieniowania rentgenowskiego. Dzięki temu możliwe jest przyspieszenie procesu badawczego aż do 18 sekund.

Trzecia generacja CT wykorzystuje nową zasadę. Szeroka, wachlarzowata wiązka promieni rentgenowskich pokrywa badany obiekt, a promieniowanie rentgenowskie przechodzące przez ciało rejestrowane jest przez kilkaset detektorów. Czas potrzebny na badania zostaje skrócony do 5-6 sekund.

CT ma wiele zalet w porównaniu z wcześniejszymi metodami diagnostyki rentgenowskiej. Charakteryzuje się dużą rozdzielczością, co pozwala dostrzec subtelne zmiany w tkankach miękkich. CT pozwala wykryć procesy patologiczne, których nie można wykryć innymi metodami. Ponadto zastosowanie tomografii komputerowej pozwala na zmniejszenie dawki promieniowania rentgenowskiego otrzymywanej przez pacjentów w procesie diagnostycznym.