Základné vlastnosti röntgenového žiarenia

1. Veľká penetračná a ionizačná schopnosť.

2. Nevychýli ho elektrické a magnetické pole.

3. Majú fotochemický efekt.

4. Spôsobujú žiaru látok.

5. Odraz, lom a difrakcia ako vo viditeľnom žiarení.

6. Mať biologický účinok na živé bunky.

1. Interakcia s hmotou

Vlnová dĺžka röntgenového žiarenia je porovnateľná s veľkosťou atómov, takže neexistuje materiál, ktorý by sa dal použiť na výrobu röntgenovej šošovky. Navyše, keď röntgenové lúče dopadajú kolmo na povrch, takmer sa neodrážajú. Napriek tomu sa v röntgenovej optike našli spôsoby konštrukcie optických prvkov pre röntgenové žiarenie. Najmä sa ukázalo, že diamant ich dobre odráža.

Röntgenové lúče môžu prenikať do hmoty a rôzne látky ich absorbujú rôzne. Absorpcia röntgenových lúčov je ich najdôležitejšou vlastnosťou pri röntgenovej fotografii. Intenzita röntgenového žiarenia klesá exponenciálne v závislosti od dráhy prejdenej v absorbujúcej vrstve (I = I0e-kd, kde d je hrúbka vrstvy, koeficient k je úmerný Z³λ³, Z je atómové číslo prvku, λ je vlnová dĺžka).

Absorpcia nastáva ako výsledok fotoabsorpcie (fotoelektrický efekt) a Comptonovho rozptylu:

Fotoabsorpcia sa chápe ako proces vyradenia elektrónu z obalu atómu fotónom, ktorý vyžaduje, aby energia fotónu bola väčšia ako určitá minimálna hodnota. Ak vezmeme do úvahy pravdepodobnosť aktu absorpcie v závislosti od energie fotónu, potom pri dosiahnutí určitej energie sa táto (pravdepodobnosť) prudko zvýši na svoju maximálnu hodnotu. Pri vyšších energiách pravdepodobnosť neustále klesá. Kvôli tejto závislosti sa hovorí, že existuje limit absorpcie. Miesto vyrazeného elektrónu pri akte absorpcie je obsadené iným elektrónom, pričom je emitované žiarenie s nižšou energiou fotónu, tzv. fluorescenčný proces.

Röntgenový fotón môže interagovať nielen s viazanými elektrónmi, ale aj s voľnými a slabo viazanými elektrónmi. Dochádza k rozptylu fotónov na elektrónoch – tzv. Comptonov rozptyl. V závislosti od uhla rozptylu sa vlnová dĺžka fotónu o určitú hodnotu zväčší a podľa toho sa zníži aj energia. Comptonov rozptyl sa v porovnaní s fotoabsorpciou stáva dominantným pri vyšších energiách fotónov.

Okrem týchto procesov existuje ešte jedna zásadná možnosť absorpcie - kvôli objaveniu sa párov elektrón-pozitrón. To si však vyžaduje energie väčšie ako 1,022 MeV, ktoré ležia mimo vyššie uvedenej hranice röntgenového žiarenia (<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.

[upraviť]

2. Biologický vplyv

Röntgenové lúče sú ionizujúce. Ovplyvňuje tkanivá živých organizmov a môže spôsobiť chorobu z ožiarenia, popáleniny z ožiarenia a zhubné nádory. Z tohto dôvodu je potrebné pri práci s röntgenovým žiarením prijať ochranné opatrenia. Predpokladá sa, že poškodenie je priamo úmerné absorbovanej dávke žiarenia. Röntgenové žiarenie je mutagénny faktor.

[upraviť]

3. Registrácia

Luminiscenčný efekt. Röntgenové lúče môžu spôsobiť žiaru niektorých látok (fluorescencia). Tento efekt sa využíva v lekárskej diagnostike pri skiaskopii (pozorovanie obrazu na fluorescenčnej obrazovke) a röntgenovej fotografii (rádiografia). Lekárske fotografické filmy sa zvyčajne používajú v kombinácii so zosilňovacími clonami, ktorých súčasťou sú röntgenové luminofory, ktoré pri pôsobení röntgenových lúčov žiaria a osvetľujú svetlocitlivú fotografickú emulziu. Spôsob získania obrazu v životnej veľkosti sa nazýva rádiografia. Pomocou fluorografie sa obraz získa v zmenšenej mierke. Luminiscenčnú látku (scintilátor) je možné opticky spojiť s elektronickým detektorom svetla (elektrónka fotonásobiča, fotodióda a pod.), výsledné zariadenie sa nazýva scintilačný detektor. Umožňuje registrovať jednotlivé fotóny a merať ich energiu, keďže energia scintilačného záblesku je úmerná energii absorbovaného fotónu.

fotografický efekt. Röntgenové lúče, ako aj bežné svetlo, sú schopné priamo osvetliť fotografickú emulziu. Avšak bez fluorescenčnej vrstvy to vyžaduje 30- až 100-násobok expozície (t.j. dávky). Táto metóda (známa ako rádiografia bez obrazovky) má výhodu v ostrejších snímkach.

V polovodičových detektoroch röntgenové lúče vytvárajú páry elektrón-diera v p-n prechode diódy zapojenej v blokovacom smere. V tomto prípade preteká malý prúd, ktorého amplitúda je úmerná energii a intenzite dopadajúceho röntgenového žiarenia. V pulznom režime je možné registrovať jednotlivé rtg fotóny a merať ich energiu.

Jednotlivé rtg fotóny je možné registrovať aj pomocou plynom plnených detektorov ionizujúceho žiarenia (Geigerov počítač, proporcionálna komora a pod.).

Aplikácia

Pomocou röntgenových lúčov je možné „osvietiť“ ľudské telo, vďaka čomu je možné získať obraz kostí a v moderných prístrojoch aj vnútorných orgánov (pozri aj röntgen) . Využíva sa pri tom fakt, že prvok vápnik (Z=20) obsiahnutý najmä v kostiach má atómové číslo oveľa väčšie ako atómové čísla prvkov, ktoré tvoria mäkké tkanivá, a to vodík (Z=1), uhlík (Z=6). ), dusík (Z=7), kyslík (Z=8). Okrem bežných zariadení, ktoré poskytujú dvojrozmernú projekciu skúmaného objektu, existujú počítačové tomografy, ktoré umožňujú získať trojrozmerný obraz vnútorných orgánov.

Detekcia chýb vo výrobkoch (koľajnice, zvary atď.) pomocou röntgenového žiarenia sa nazýva röntgenová detekcia chýb.

V materiálovej vede, kryštalografii, chémii a biochémii sa röntgenové lúče používajú na objasnenie štruktúry látok na atómovej úrovni pomocou röntgenového difrakčného rozptylu (röntgenová difrakčná analýza). Známym príkladom je určenie štruktúry DNA.

Okrem toho možno pomocou röntgenového žiarenia určiť chemické zloženie látky. V mikrosonde s elektrónovým lúčom (alebo v elektrónovom mikroskope) sa analyzovaná látka ožaruje elektrónmi, pričom sa atómy ionizujú a vyžarujú charakteristické röntgenové žiarenie. Namiesto elektrónov možno použiť röntgenové lúče. Táto analytická metóda sa nazýva röntgenová fluorescenčná analýza.

Na letiskách sa aktívne využívajú röntgenové televízne introskopy, ktoré umožňujú prezeranie obsahu príručnej batožiny a batožiny s cieľom vizuálne odhaliť nebezpečné predmety na obrazovke monitora.

Röntgenová terapia je časť radiačnej terapie, ktorá pokrýva teóriu a prax terapeutického využitia röntgenových lúčov generovaných pri napätí röntgenovej trubice 20-60 kV a kožnej ohniskovej vzdialenosti 3-7 cm (krátke -dosahová rádioterapia) alebo pri napätí 180-400 kV a kožnej ohniskovej vzdialenosti 30-150 cm (diaľková rádioterapia).

Röntgenová terapia sa vykonáva hlavne pri povrchovo umiestnených nádoroch a pri niektorých ďalších ochoreniach vrátane kožných ochorení (ultrasoft RTG Bucca).

[upraviť]

prirodzené röntgenové lúče

Na Zemi vzniká elektromagnetické žiarenie v oblasti röntgenového žiarenia v dôsledku ionizácie atómov žiarením, ktoré vzniká pri rádioaktívnom rozpade, v dôsledku Comptonovho efektu gama žiarenia, ku ktorému dochádza pri jadrových reakciách, a tiež kozmickým žiarením. Rádioaktívny rozpad vedie aj k priamej emisii röntgenových kvánt, ak spôsobí preskupenie elektrónového obalu rozpadajúceho sa atómu (napríklad pri záchyte elektrónov). Röntgenové žiarenie, ktoré sa vyskytuje na iných nebeských telesách, sa na zemský povrch nedostane, pretože je úplne absorbované atmosférou. Skúmajú ho satelitné röntgenové teleskopy ako Chandra a XMM-Newton.

V roku 1895 objavil nemecký fyzik W. Roentgen nový, dovtedy neznámy typ elektromagnetického žiarenia, ktorý dostal na počesť svojho objaviteľa názov RTG. W. Roentgen sa stal autorom svojho objavu ako 50-ročný, zastával post rektora univerzity vo Würzburgu a mal povesť jedného z najlepších experimentátorov svojej doby. Jedným z prvých, ktorí našli technickú aplikáciu pre Roentgenov objav, bol Američan Edison. Vytvoril šikovnú demonštračnú aparatúru a už v máji 1896 zorganizoval v New Yorku röntgenovú výstavu, kde si návštevníci mohli pozrieť vlastnú ruku na svietiacom plátne. Po tom, čo Edisonov asistent zomrel na ťažké popáleniny, ktoré utrpel pri neustálych demonštráciách, vynálezca zastavil ďalšie experimenty s röntgenovými lúčmi.

Röntgenové žiarenie sa začalo používať v medicíne pre jeho vysokú prenikavú silu. Spočiatku sa röntgenové lúče používali na vyšetrenie zlomenín kostí a lokalizáciu cudzích telies v ľudskom tele. V súčasnosti existuje niekoľko metód založených na röntgenových lúčoch. Ale tieto metódy majú svoje nevýhody: žiarenie môže spôsobiť hlboké poškodenie kože. Objavujúce sa vredy sa často zmenili na rakovinu. V mnohých prípadoch museli byť prsty alebo ruky amputované. Fluoroskopia(synonymum translucencia) je jednou z hlavných metód RTG vyšetrenia, ktoré spočíva v získaní plošného pozitívneho obrazu skúmaného objektu na priesvitnom (fluorescenčnom) plátne. Počas skiaskopie je subjekt medzi priesvitnou obrazovkou a röntgenovou trubicou. Na moderných röntgenových priesvitných obrazovkách sa obraz objaví v okamihu zapnutia röntgenovej trubice a zmizne ihneď po jej vypnutí. Fluoroskopia umožňuje študovať funkciu orgánu - pulzáciu srdca, dýchacie pohyby rebier, pľúc, bránice, peristaltiku tráviaceho traktu atď. Fluoroskopia sa využíva pri liečbe ochorení žalúdka, tráviaceho traktu, dvanástnika, ochorení pečene, žlčníka a žlčových ciest. Lekárska sonda a manipulátory sú zároveň zavedené bez poškodenia tkaniva a akcie počas operácie sú kontrolované skiaskopiou a sú viditeľné na monitore.
Rádiografia - metóda RTG diagnostiky s registráciou fixného obrazu na fotocitlivom materiáli - špeciálna. fotografický film (röntgenový film) alebo fotografický papier s následným spracovaním fotografie; Pri digitálnej rádiografii je obraz fixovaný v pamäti počítača. Vykonáva sa na RTG diagnostických prístrojoch – stacionárnych, inštalovaných v špeciálne vybavených RTG miestnostiach, alebo mobilných a prenosných – pri lôžku pacienta alebo na operačnej sále. Na röntgenových snímkach sú prvky štruktúr rôznych orgánov zobrazené oveľa jasnejšie ako na fluorescenčnej obrazovke. Rádiografia sa vykonáva s cieľom odhaliť a predchádzať rôznym chorobám, jej hlavným cieľom je pomôcť lekárom rôznych špecialít správne a rýchlo stanoviť diagnózu. Röntgenová snímka zachytáva stav orgánu alebo tkaniva iba v čase expozície. Jediný röntgenový snímok však zachytáva iba anatomické zmeny v určitom okamihu, dáva statiku procesu; prostredníctvom série röntgenových snímok zhotovených v určitých intervaloch je možné študovať dynamiku procesu, to znamená funkčné zmeny. Tomografia. Slovo tomografia možno preložiť z gréčtiny ako výrez obrazu. To znamená, že účelom tomografie je získať vrstvený obraz vnútornej štruktúry predmetu štúdia. Počítačová tomografia sa vyznačuje vysokým rozlíšením, ktoré umožňuje rozlíšiť jemné zmeny v mäkkých tkanivách. CT umožňuje odhaliť také patologické procesy, ktoré nie je možné zistiť inými metódami. Okrem toho použitie CT umožňuje znížiť dávku röntgenového žiarenia, ktoré pacienti dostanú počas diagnostického procesu.
Fluorografia- diagnostická metóda, ktorá umožňuje získať obraz orgánov a tkanív, bola vyvinutá na konci 20. storočia, rok po objavení röntgenových lúčov. Na obrázkoch môžete vidieť sklerózu, fibrózu, cudzie predmety, novotvary, zápaly, ktoré majú vyvinutý stupeň, prítomnosť plynov a infiltrátov v dutinách, abscesy, cysty a pod. Najčastejšie sa vykonáva röntgenové vyšetrenie hrudníka, ktoré umožňuje zistiť tuberkulózu, malígny nádor v pľúcach alebo hrudníku a iné patológie.
Röntgenová terapia- Ide o modernú metódu, s ktorou sa vykonáva liečba určitých patológií kĺbov. Hlavné smery liečby ortopedických ochorení touto metódou sú: Chronické. Zápalové procesy kĺbov (artritída, polyartritída); Degeneratívne (osteoartritída, osteochondróza, deformujúca sa spondylóza). Účel rádioterapie je inhibícia vitálnej aktivity buniek patologicky zmenených tkanív alebo ich úplná deštrukcia. Pri nenádorových ochoreniach je röntgenová terapia zameraná na potlačenie zápalovej reakcie, inhibíciu proliferatívnych procesov, zníženie citlivosti na bolesť a sekrečnú aktivitu žliaz. Treba mať na pamäti, že najcitlivejšie na röntgenové žiarenie sú pohlavné žľazy, krvotvorné orgány, leukocyty a bunky malígnych nádorov. Dávka žiarenia sa v každom prípade určuje individuálne.

Za objav röntgenového žiarenia dostal Roentgen v roku 1901 prvú Nobelovu cenu za fyziku a Nobelov výbor zdôraznil praktický význam jeho objavu.
Röntgenové žiarenie je teda neviditeľné elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou 105 - 102 nm. Röntgenové lúče môžu prenikať do niektorých materiálov, ktoré sú nepriepustné pre viditeľné svetlo. Vyžarujú sa pri spomaľovaní rýchlych elektrónov v hmote (kontinuálne spektrum) a pri prechodoch elektrónov z vonkajších elektrónových obalov atómu do vnútorných (lineárne spektrum). Zdrojmi röntgenového žiarenia sú: röntgenová trubica, niektoré rádioaktívne izotopy, urýchľovače a akumulátory elektrónov (synchrotrónové žiarenie). Prijímače - film, luminiscenčné obrazovky, detektory jadrového žiarenia. Röntgenové lúče sa používajú v röntgenovej difrakčnej analýze, medicíne, detekcii chýb, röntgenovej spektrálnej analýze atď.

Röntgenové žiarenie (synonymum röntgenového žiarenia) má široký rozsah vlnových dĺžok (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). Röntgenové žiarenie vzniká, keď sa nabité častice, najčastejšie elektróny, spomaľujú v elektrickom poli atómov látky. Výsledné kvantá majú rôzne energie a tvoria súvislé spektrum. Maximálna energia fotónu v takomto spektre sa rovná energii dopadajúcich elektrónov. V (pozri) sa maximálna energia röntgenových kvánt, vyjadrená v kiloelektrónvoltoch, číselne rovná veľkosti napätia aplikovaného na trubicu, vyjadrenej v kilovoltoch. Pri prechode látkou röntgenové lúče interagujú s elektrónmi jej atómov. Pre röntgenové kvantá s energiami do 100 keV je najcharakteristickejším typom interakcie fotoelektrický jav. V dôsledku takejto interakcie sa kvantová energia úplne spotrebuje na vytiahnutie elektrónu z atómového obalu a odovzdanie kinetickej energie. S nárastom energie röntgenového kvanta klesá pravdepodobnosť fotoelektrického javu a prevláda proces rozptylu kvánt na voľných elektrónoch - takzvaný Comptonov jav. V dôsledku takejto interakcie vzniká aj sekundárny elektrón a navyše vyletí kvantum s energiou nižšou ako je energia primárneho kvanta. Ak energia röntgenového kvanta presiahne jeden megaelektrónvolt, môže dôjsť k takzvanému párovému efektu, pri ktorom sa vytvorí elektrón a pozitrón (pozri). V dôsledku toho sa pri prechode látkou energia röntgenového žiarenia znižuje, t.j. znižuje sa jeho intenzita. Keďže v tomto prípade sú kvantá s nízkou energiou pravdepodobnejšie absorbované, röntgenové žiarenie je obohatené o kvantá s vyššou energiou. Táto vlastnosť röntgenového žiarenia sa využíva na zvýšenie priemernej energie kvanta, teda na zvýšenie jeho tuhosti. Zvýšenie tvrdosti röntgenového žiarenia sa dosahuje pomocou špeciálnych filtrov (pozri). Röntgenové žiarenie sa používa na röntgenovú diagnostiku (pozri) a (pozri). Pozri tiež Ionizujúce žiarenie.

Röntgenové žiarenie (synonymum: röntgenové žiarenie, röntgenové žiarenie) - kvantové elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou 250 až 0,025 A (alebo energetické kvantá od 5 10 -2 do 5 10 2 keV). V roku 1895 ho objavil V.K. Roentgen. Spektrálna oblasť elektromagnetického žiarenia susediaca s röntgenovými lúčmi, ktorých energetické kvantá presahujú 500 keV, sa nazýva gama žiarenie (pozri); žiarenie, ktorého energetické kvantá sú pod 0,05 keV, je ultrafialové žiarenie (pozri).

Röntgenové žiarenie, ktoré teda predstavuje relatívne malú časť obrovského spektra elektromagnetického žiarenia, ktoré zahŕňa rádiové vlny aj viditeľné svetlo, sa ako každé elektromagnetické žiarenie šíri rýchlosťou svetla (približne 300 000 km/s vo vákuu ) a je charakterizovaná vlnovou dĺžkou λ (vzdialenosť, cez ktorú sa žiarenie šíri za jednu periódu kmitania). Röntgenové žiarenie má aj množstvo ďalších vlnových vlastností (refrakcia, interferencia, difrakcia), no pozorovať ich je oveľa ťažšie ako pri žiarení s dlhšími vlnovými dĺžkami: viditeľné svetlo, rádiové vlny.

Röntgenové spektrá: a1 - spojité brzdné spektrum pri 310 kV; a - spojité brzdné spektrum pri 250 kV, a1 - spektrum filtrované 1 mm Cu, a2 - spektrum filtrované 2 mm Cu, b - K-séria volfrámovej línie.

Na generovanie röntgenových lúčov sa používajú röntgenové trubice (pozri), v ktorých dochádza k žiareniu pri interakcii rýchlych elektrónov s atómami anódovej látky. Existujú dva typy röntgenových lúčov: brzdné žiarenie a charakteristické. Bremsstrahlung röntgenové žiarenie, ktoré má spojité spektrum, je podobné bežnému bielemu svetlu. Rozloženie intenzity v závislosti od vlnovej dĺžky (obr.) je znázornené krivkou s maximom; v smere dlhých vĺn krivka mierne klesá a v smere krátkych vĺn strmo a odlamuje sa pri určitej vlnovej dĺžke (λ0), nazývanej krátkovlnná hranica spojitého spektra. Hodnota λ0 je nepriamo úmerná napätiu na elektrónke. Bremsstrahlung vzniká interakciou rýchlych elektrónov s atómovými jadrami. Intenzita brzdného žiarenia je priamo úmerná sile anódového prúdu, druhej mocnine napätia elektrónky a atómovému číslu (Z) materiálu anódy.

Ak energia elektrónov zrýchlených v röntgenovej trubici prekročí kritickú hodnotu pre anódovú látku (táto energia je určená pre túto látku kritickým napätím trubice Vcr), dochádza k charakteristickému žiareniu. Charakteristické spektrum je čiarové, jeho spektrálne čiary tvoria sériu, označovanú písmenami K, L, M, N.

Séria K je najkratšia vlnová dĺžka, séria L je dlhšia, séria M a N sa pozoruje iba v ťažkých prvkoch (Vcr volfrámu pre sériu K je 69,3 kv, pre sériu L - 12,1 kv). Charakteristické žiarenie vzniká nasledovne. Rýchle elektróny vyrážajú atómové elektróny z vnútorných obalov. Atóm je excitovaný a potom sa vráti do základného stavu. V tomto prípade elektróny z vonkajších, menej viazaných obalov vyplnia priestory uvoľnené vo vnútorných obaloch a emitujú sa fotóny charakteristického žiarenia s energiou rovnajúcou sa rozdielu energií atómu v excitovanom a základnom stave. Tento rozdiel (a teda aj energia fotónu) má určitú hodnotu, charakteristickú pre každý prvok. Tento jav je základom röntgenovej spektrálnej analýzy prvkov. Obrázok ukazuje čiarové spektrum volfrámu na pozadí súvislého spektra brzdného žiarenia.

Energia elektrónov zrýchlených v röntgenovej trubici sa takmer úplne premení na tepelnú energiu (anóda je v tomto prípade silne zahrievaná), iba nepatrná časť (asi 1% pri napätí blízkom 100 kV) sa premení na energiu brzdného žiarenia .

Použitie röntgenového žiarenia v medicíne je založené na zákonoch absorpcie röntgenového žiarenia hmotou. Absorpcia röntgenového žiarenia je úplne nezávislá od optických vlastností materiálu absorbéra. Bezfarebné a priehľadné olovené sklo používané na ochranu personálu v röntgenových miestnostiach takmer úplne absorbuje röntgenové lúče. Naproti tomu list papiera, ktorý nie je priepustný pre svetlo, röntgenové lúče nezoslabuje.

Intenzita homogénneho (t.j. určitej vlnovej dĺžky) röntgenového lúča pri prechode cez vrstvu absorbéra klesá podľa exponenciálneho zákona (e-x), kde e je základ prirodzených logaritmov (2,718) a exponent x sa rovná súčinu koeficientu útlmu hmoty (μ/p) cm2/g na hrúbku absorbéra vg/cm2 (tu p je hustota látky vg/cm3). Röntgenové lúče sú zoslabené rozptylom aj absorpciou. V súlade s tým je koeficient útlmu hmoty súčtom koeficientov absorpcie hmoty a koeficientu rozptylu. Koeficient hmotnostnej absorpcie prudko rastie so zvyšujúcim sa atómovým číslom (Z) absorbéra (úmerne Z3 alebo Z5) a so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou (úmerne λ3). Táto závislosť od vlnovej dĺžky je pozorovaná v absorpčných pásmach, na hraniciach ktorých koeficient vykazuje skoky.

Koeficient rozptylu hmoty sa zvyšuje so zvyšujúcim sa atómovým číslom látky. Pre λ≥0,3Å koeficient rozptylu nezávisí od vlnovej dĺžky, pre λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Pokles absorpčných a rozptylových koeficientov s klesajúcou vlnovou dĺžkou spôsobuje zvýšenie penetračnej sily röntgenového žiarenia. Koeficient absorpcie hmoty pre kosti [absorpcia je spôsobená najmä Ca 3 (PO 4) 2 ] je takmer 70-krát vyšší ako pre mäkké tkanivá, kde absorpciu spôsobuje najmä voda. To vysvetľuje, prečo tieň kostí tak ostro vyniká na röntgenových snímkach na pozadí mäkkých tkanív.

Šírenie nehomogénneho röntgenového lúča akýmkoľvek prostredím spolu s poklesom intenzity je sprevádzané zmenou spektrálneho zloženia, zmenou kvality žiarenia: dlhovlnná časť spektra je absorbovaná do väčšom rozsahu ako krátkovlnná časť sa žiarenie stáva rovnomernejším. Odfiltrovanie dlhovlnnej časti spektra umožňuje zlepšiť pomer medzi hĺbkovými a povrchovými dávkami pri RTG terapii ohniskov nachádzajúcich sa hlboko v ľudskom tele (pozri RTG filtre). Na charakterizáciu kvality nehomogénneho röntgenového lúča sa používa pojem "polovičná zoslabovacia vrstva (L)" - vrstva látky, ktorá zoslabuje žiarenie na polovicu. Hrúbka tejto vrstvy závisí od napätia na trubici, hrúbky a materiálu filtra. Na meranie vrstiev polovičného útlmu sa používa celofán (do energie 12 keV), hliník (20–100 keV), meď (60–300 keV), olovo a meď (>300 keV). Pre röntgenové lúče generované pri napätiach 80-120 kV je 1 mm medi vo filtračnej kapacite ekvivalentný 26 mm hliníka, 1 mm olova je ekvivalentný 50,9 mm hliníka.

Absorpcia a rozptyl röntgenového žiarenia je spôsobený jeho korpuskulárnymi vlastnosťami; Röntgenové lúče interagujú s atómami ako prúd teliesok (častíc) - fotónov, z ktorých každý má určitú energiu (nepriamo úmernú vlnovej dĺžke röntgenového žiarenia). Energetický rozsah röntgenových fotónov je 0,05-500 keV.

Absorpcia röntgenového žiarenia je spôsobená fotoelektrickým javom: absorpcia fotónu elektrónovým obalom je sprevádzaná vymrštením elektrónu. Atóm je excitovaný a po návrate do základného stavu vyžaruje charakteristické žiarenie. Vyžarovaný fotoelektrón odnáša všetku energiu fotónu (mínus väzbová energia elektrónu v atóme).

Rozptyl röntgenového žiarenia je spôsobený elektrónmi rozptylujúceho média. Existuje klasický rozptyl (vlnová dĺžka žiarenia sa nemení, ale mení sa smer šírenia) a rozptyl so zmenou vlnovej dĺžky - Comptonov jav (vlnová dĺžka rozptýleného žiarenia je väčšia ako dopadajúca). V druhom prípade sa fotón správa ako pohybujúca sa guľa a k rozptylu fotónov dochádza podľa obrazného vyjadrenia Comntona ako hra biliardu s fotónmi a elektrónmi: pri zrážke s elektrónom fotón odovzdá časť svojej energie. k nemu a rozptýli sa, majúc už menšiu energiu (resp. zväčšuje sa vlnová dĺžka rozptýleného žiarenia), elektrón vyletí z atómu s energiou spätného rázu (tieto elektróny sa nazývajú Comptonove elektróny alebo spätné elektróny). K absorpcii röntgenovej energie dochádza pri tvorbe sekundárnych elektrónov (Compton a fotoelektróny) a prenose energie na ne. Energia röntgenového žiarenia prenesená na jednotku hmotnosti látky určuje absorbovanú dávku röntgenového žiarenia. Jednotka tejto dávky 1 rad zodpovedá 100 erg/g. V dôsledku absorbovanej energie v látke absorbéra dochádza k množstvu sekundárnych procesov, ktoré sú dôležité pre röntgenovú dozimetriu, pretože práve na nich sú založené metódy merania röntgenového žiarenia. (pozri Dozimetria).

Všetky plyny a mnohé kvapaliny, polovodiče a dielektriká pôsobením röntgenového žiarenia zvyšujú elektrickú vodivosť. Vodivosť majú najlepšie izolačné materiály: parafín, sľuda, guma, jantár. Zmena vodivosti je spôsobená ionizáciou média, t.j. separáciou neutrálnych molekúl na kladné a záporné ióny (ionizácia je produkovaná sekundárnymi elektrónmi). Ionizácia vo vzduchu sa používa na stanovenie expozičnej dávky röntgenového žiarenia (dávka vo vzduchu), ktorá sa meria v röntgenoch (pozri Dávky ionizujúceho žiarenia). Pri dávke 1 r je absorbovaná dávka vo vzduchu 0,88 rad.

Pôsobením röntgenových lúčov sa v dôsledku excitácie molekúl látky (a pri rekombinácii iónov) v mnohých prípadoch excituje viditeľná žiara látky. Pri vysokých intenzitách röntgenového žiarenia sa pozoruje viditeľná žiara vzduchu, papiera, parafínu a pod. (výnimkou sú kovy). Najvyššiu výťažnosť viditeľného svetla poskytujú také kryštalické fosfory, ako je Zn·CdS·Ag-fosfor a iné, ktoré sa používajú na obrazovky vo fluoroskopii.

Pôsobením röntgenového žiarenia môžu v látke prebiehať aj rôzne chemické procesy: rozklad halogenidov striebra (fotografický efekt využívaný pri röntgenovom žiarení), rozklad vody a vodných roztokov peroxidu vodíka, zmena vlastnosti celuloidu (zakalenie a uvoľňovanie gáfru), parafínu (zakalenie a bielenie) .

V dôsledku úplnej premeny sa všetka energia röntgenového žiarenia absorbovaná chemicky inertnou látkou premení na teplo. Meranie veľmi malého množstva tepla vyžaduje vysoko citlivé metódy, ale je hlavnou metódou pre absolútne merania röntgenového žiarenia.

Sekundárne biologické účinky vystavenia röntgenovému žiareniu sú základom lekárskej rádioterapie (pozri). Röntgenové lúče, ktorých kvantá sú 6-16 keV (efektívne vlnové dĺžky od 2 do 5 Å), sú takmer úplne absorbované kožnou vrstvou tkaniva ľudského tela; nazývajú sa hraničné lúče alebo niekedy lúče Bucca (pozri lúče Bucca). Na hĺbkovú röntgenovú terapiu sa používa tvrdé filtrované žiarenie s efektívnymi energetickými kvantami od 100 do 300 keV.

Biologický účinok röntgenového žiarenia by sa mal brať do úvahy nielen pri röntgenovej terapii, ale aj v röntgenovej diagnostike, ako aj vo všetkých ostatných prípadoch kontaktu s röntgenovým žiarením, ktoré si vyžadujú použitie radiačnej ochrany ( pozri).

RTG ŽIARENIE
neviditeľné žiarenie schopné preniknúť, hoci v rôznej miere, všetkými látkami. Je to elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou asi 10-8 cm.Röntgenové lúče podobne ako viditeľné svetlo spôsobujú sčernenie fotografického filmu. Táto vlastnosť má veľký význam pre medicínu, priemysel a vedecký výskum. Röntgenové žiarenie prechádzajúce cez skúmaný objekt a potom dopadajúce na film na ňom zobrazuje jeho vnútornú štruktúru. Keďže penetračná sila röntgenového žiarenia je pre rôzne materiály rôzna, časti objektu, ktoré sú preň menej priehľadné, poskytujú na fotografii svetlejšie oblasti ako tie, cez ktoré žiarenie dobre preniká. Kostné tkanivá sú teda pre röntgenové lúče menej transparentné ako tkanivá, ktoré tvoria kožu a vnútorné orgány. Preto na röntgenovom snímku budú kosti označené ako svetlejšie oblasti a miesto zlomeniny, ktoré je pre žiarenie transparentnejšie, sa dá celkom ľahko zistiť. Röntgenové zobrazovanie sa používa aj v zubnom lekárstve na detekciu kazov a abscesov v koreňoch zubov, ako aj v priemysle na detekciu trhlín v odliatkoch, plastoch a gumách. Röntgenové lúče sa používajú v chémii na analýzu zlúčenín a vo fyzike na štúdium štruktúry kryštálov. Röntgenový lúč prechádzajúci chemickou zlúčeninou spôsobuje charakteristické sekundárne žiarenie, ktorého spektroskopická analýza umožňuje chemikovi určiť zloženie zlúčeniny. Pri dopade na kryštalickú látku je röntgenový lúč rozptýlený atómami kryštálu, čím vzniká jasný, pravidelný vzor škvŕn a pruhov na fotografickej platni, čo umožňuje stanoviť vnútornú štruktúru kryštálu. Využitie röntgenového žiarenia pri liečbe rakoviny je založené na tom, že zabíja rakovinové bunky. Môže však mať nežiaduci vplyv aj na normálne bunky. Preto je pri tomto použití röntgenových lúčov potrebná mimoriadna opatrnosť. Röntgenové žiarenie objavil nemecký fyzik W. Roentgen (1845-1923). Jeho meno je zvečnené v niektorých ďalších fyzikálnych pojmoch spojených s týmto žiarením: medzinárodná jednotka dávky ionizujúceho žiarenia sa nazýva röntgen; snímka urobená röntgenovým prístrojom sa nazýva rádiograf; Oblasť rádiologickej medicíny, ktorá využíva röntgenové lúče na diagnostiku a liečbu chorôb, sa nazýva rádiológia. Roentgen objavil žiarenie v roku 1895 ako profesor fyziky na univerzite vo Würzburgu. Počas experimentov s katódovými lúčmi (elektróny prúdia vo výbojkových trubiciach) si všimol, že obrazovka umiestnená v blízkosti vákuovej trubice, pokrytá kryštalickým bárnatým kyanoplatinitom, jasne žiari, hoci samotná trubica je pokrytá čiernym kartónom. Roentgen ďalej zistil, že prenikavá sila neznámych lúčov, ktoré objavil a ktoré nazval röntgenové, závisela od zloženia absorbujúceho materiálu. Tiež zobrazil kosti svojej vlastnej ruky tak, že ju umiestnil medzi katódovú výbojku a obrazovku potiahnutú kyanoplatinitom bárnatým. Po Roentgenovom objave nasledovali experimenty ďalších výskumníkov, ktorí objavili mnohé nové vlastnosti a možnosti využitia tohto žiarenia. Veľkým prínosom boli M. Laue, W. Friedrich a P. Knipping, ktorí v roku 1912 demonštrovali difrakciu röntgenového žiarenia pri jeho prechode kryštálom; W. Coolidge, ktorý v roku 1913 vynašiel vysokovákuovú röntgenovú trubicu s vyhrievanou katódou; G. Moseley, ktorý v roku 1913 stanovil vzťah medzi vlnovou dĺžkou žiarenia a atómovým číslom prvku; G. a L. Braggi, ktorí v roku 1915 dostali Nobelovu cenu za vývoj základov röntgenovej difrakčnej analýzy.
ZÍSKAVANIE RTG ŽIARENIA
Röntgenové žiarenie vzniká, keď elektróny pohybujúce sa vysokou rýchlosťou interagujú s hmotou. Keď sa elektróny zrazia s atómami akejkoľvek látky, rýchlo strácajú svoju kinetickú energiu. V tomto prípade sa väčšina premení na teplo a malá časť, zvyčajne menej ako 1 %, sa premení na energiu röntgenového žiarenia. Táto energia sa uvoľňuje vo forme kvánt - častíc nazývaných fotóny, ktoré majú energiu, ale majú nulovú pokojovú hmotnosť. Röntgenové fotóny sa líšia svojou energiou, ktorá je nepriamo úmerná ich vlnovej dĺžke. Pri konvenčnom spôsobe získavania röntgenových lúčov sa získa široký rozsah vlnových dĺžok, ktorý sa nazýva röntgenové spektrum. Spektrum obsahuje výrazné zložky, ako je znázornené na obr. 1. Široké „kontinuum“ sa nazýva spojité spektrum alebo biele žiarenie. Ostré vrcholy na ňom navrstvené sa nazývajú charakteristické röntgenové emisné čiary. Hoci celé spektrum je výsledkom zrážok elektrónov s hmotou, mechanizmy vzniku jeho širokej časti a línií sú odlišné. Látka pozostáva z veľkého počtu atómov, z ktorých každý má jadro obklopené elektrónovými obalmi a každý elektrón v obale atómu daného prvku zaberá určitú diskrétnu energetickú hladinu. Zvyčajne sú tieto obaly alebo energetické hladiny označené symbolmi K, L, M atď., pričom sa začína od obalu najbližšie k jadru. Keď sa dopadajúci elektrón dostatočne vysokej energie zrazí s jedným z elektrónov viazaných na atóm, vyrazí tento elektrón z obalu. Prázdny priestor zaberá ďalší elektrón z obalu, ktorý zodpovedá vyššej energii. Ten vydáva prebytočnú energiu vyžarovaním röntgenového fotónu. Pretože obalové elektróny majú diskrétne energetické hodnoty, výsledné röntgenové fotóny majú tiež diskrétne spektrum. To zodpovedá ostrým špičkám pre určité vlnové dĺžky, ktorých špecifické hodnoty závisia od cieľového prvku. Charakteristické čiary tvoria série K, L a M, v závislosti od toho, z ktorého obalu (K, L alebo M) bol elektrón odstránený. Vzťah medzi vlnovou dĺžkou röntgenového žiarenia a atómovým číslom sa nazýva Moseleyho zákon (obr. 2).

Ak sa elektrón zrazí s relatívne ťažkým jadrom, potom sa spomalí a jeho kinetická energia sa uvoľní vo forme röntgenového fotónu s približne rovnakou energiou. Ak preletí okolo jadra, stratí len časť svojej energie a zvyšok sa prenesie na iné atómy, ktoré mu padnú do cesty. Každý akt straty energie vedie k emisii fotónu s určitou energiou. Objaví sa súvislé röntgenové spektrum, ktorého horná hranica zodpovedá energii najrýchlejšieho elektrónu. Toto je mechanizmus na vytvorenie spojitého spektra a maximálna energia (alebo minimálna vlnová dĺžka), ktorá fixuje hranicu spojitého spektra, je úmerná urýchľovaciemu napätiu, ktoré určuje rýchlosť dopadajúcich elektrónov. Spektrálne čiary charakterizujú materiál bombardovaného terča, pričom spojité spektrum je určené energiou elektrónového lúča a prakticky nezávisí od materiálu terča. Röntgenové lúče je možné získať nielen bombardovaním elektrónmi, ale aj ožiarením cieľa röntgenovým žiarením z iného zdroja. V tomto prípade však väčšina energie dopadajúceho lúča ide do charakteristického röntgenového spektra a veľmi malá časť z neho spadá do spojitého spektra. Je zrejmé, že dopadajúci röntgenový lúč musí obsahovať fotóny, ktorých energia je dostatočná na vybudenie charakteristických čiar bombardovaného prvku. Vysoké percento energie na charakteristické spektrum robí túto metódu röntgenovej excitácie vhodnou pre vedecký výskum.
Röntgenové trubice. Na získanie röntgenového žiarenia v dôsledku interakcie elektrónov s hmotou je potrebné mať zdroj elektrónov, prostriedky na ich urýchlenie na vysoké rýchlosti a terč schopný odolať elektrónovému bombardovaniu a produkovať röntgenové žiarenie požadovanú intenzitu. Zariadenie, ktoré toto všetko má, sa nazýva röntgenová trubica. Prví bádatelia používali „hlboké vákuové“ trubice, ako sú dnešné výbojky. Vákuum v nich nebolo veľmi vysoké. Výbojkové trubice obsahujú malé množstvo plynu a keď sa na elektródy trubice aplikuje veľký potenciálny rozdiel, atómy plynu sa premenia na kladné a záporné ióny. Pozitívne sa pohybujú smerom k negatívnej elektróde (katóde) a padajúc na ňu, vyrážajú z nej elektróny a tie sa zase pohybujú smerom k pozitívnej elektróde (anóde) a bombardovaním vytvárajú prúd röntgenových fotónov. . V modernej röntgenovej trubici vyvinutej Coolidgeom (obr. 3) je zdrojom elektrónov volfrámová katóda zahriata na vysokú teplotu. Elektróny sú urýchľované na vysoké rýchlosti vysokým potenciálovým rozdielom medzi anódou (alebo antikatódou) a katódou. Keďže elektróny musia dosiahnuť anódu bez toho, aby sa zrazili s atómami, je potrebné veľmi vysoké vákuum, pre ktoré musí byť trubica dobre evakuovaná. To tiež znižuje pravdepodobnosť ionizácie zostávajúcich atómov plynu a súvisiacich bočných prúdov.

Elektróny sú zaostrené na anóde pomocou špeciálne tvarovanej elektródy obklopujúcej katódu. Táto elektróda sa nazýva zaostrovacia elektróda a spolu s katódou tvorí „elektronický svetlomet“ trubice. Anóda vystavená bombardovaniu elektrónmi musí byť vyrobená zo žiaruvzdorného materiálu, pretože väčšina kinetickej energie bombardujúcich elektrónov sa premieňa na teplo. Okrem toho je žiaduce, aby anóda bola vyrobená z materiálu s vysokým atómovým číslom, pretože výťažok röntgenového žiarenia sa zvyšuje so zvyšujúcim sa atómovým číslom. Ako materiál anódy sa najčastejšie volí volfrám, ktorého atómové číslo je 74. Konštrukcia röntgenových trubíc môže byť rôzna v závislosti od podmienok aplikácie a požiadaviek.
RTG DETEKCIA
Všetky metódy detekcie röntgenových lúčov sú založené na ich interakcii s hmotou. Detektory môžu byť dvoch typov: tie, ktoré poskytujú obraz, a tie, ktoré nie. Medzi prvé patria zariadenia na röntgenovú fluorografiu a fluoroskopiu, v ktorých röntgenový lúč prechádza cez skúmaný objekt a prenášané žiarenie vstupuje na luminiscenčnú obrazovku alebo film. Obraz sa objavuje vďaka tomu, že rôzne časti skúmaného objektu absorbujú žiarenie rôznymi spôsobmi – v závislosti od hrúbky látky a jej zloženia. V detektoroch s luminiscenčnou clonou sa energia röntgenového žiarenia premieňa na priamo pozorovateľný obraz, zatiaľ čo v rádiografii sa zaznamenáva na citlivú emulziu a možno ju pozorovať až po vyvolaní filmu. Druhý typ detektorov zahŕňa širokú škálu zariadení, v ktorých sa energia röntgenového žiarenia premieňa na elektrické signály, ktoré charakterizujú relatívnu intenzitu žiarenia. Patria sem ionizačné komory, Geigerov počítač, proporcionálny počítač, scintilačný počítač a niektoré špeciálne detektory na báze sulfidu kademnatého a selenidu. V súčasnosti možno za najúčinnejšie detektory považovať scintilačné čítače, ktoré dobre fungujú v širokom energetickom rozsahu.
pozri tiež DETEKTORY ČASTÍC . Detektor sa vyberá s prihliadnutím na podmienky problému. Napríklad, ak je potrebné presne zmerať intenzitu difraktovaného röntgenového žiarenia, potom sa používajú počítadlá, ktoré umožňujú vykonávať merania s presnosťou zlomkov percent. Ak je potrebné zaregistrovať veľa difraktovaných lúčov, potom je vhodné použiť röntgenový film, aj keď v tomto prípade nie je možné určiť intenzitu s rovnakou presnosťou.
RTG A GAMA DEFEKTOSKOPIA
Jednou z najbežnejších aplikácií röntgenového žiarenia v priemysle je kontrola kvality materiálu a detekcia chýb. Röntgenová metóda je nedeštruktívna, takže testovaný materiál, ak sa zistí, že spĺňa požadované požiadavky, môže byť použitý na zamýšľaný účel. Röntgenová aj gama detekcia defektov je založená na penetračnej sile röntgenového žiarenia a charakteristike jeho absorpcie v materiáloch. Prienikový výkon je určený energiou röntgenových fotónov, ktorá závisí od urýchľovacieho napätia v röntgenovej trubici. Hrubé vzorky a vzorky z ťažkých kovov, ako je zlato a urán, preto vyžadujú na štúdium zdroj röntgenového žiarenia s vyšším napätím a pre tenké vzorky stačí zdroj s nižším napätím. Na detekciu defektov v gama žiarení veľmi veľkých odliatkov a veľkých valcovaných výrobkov sa používajú betatróny a lineárne urýchľovače, ktoré urýchľujú častice na energie 25 MeV a viac. Absorpcia röntgenového žiarenia v materiáli závisí od hrúbky absorbéra d a koeficientu absorpcie m a je určená vzorcom I = I0e-md, kde I je intenzita žiarenia prepusteného cez absorbér, I0 je intenzita dopadajúceho žiarenia a e = 2,718 je základom prirodzených logaritmov. Pre daný materiál je pri danej vlnovej dĺžke (alebo energii) röntgenového žiarenia koeficient absorpcie konštantný. Ale žiarenie röntgenového zdroja nie je monochromatické, ale obsahuje široký rozsah vlnových dĺžok, v dôsledku čoho absorpcia pri rovnakej hrúbke absorbéra závisí od vlnovej dĺžky (frekvencie) žiarenia. Röntgenové žiarenie má široké využitie vo všetkých odvetviach spojených so spracovaním kovov tlakom. Používa sa aj na testovanie delostreleckých sudov, potravín, plastov, na testovanie zložitých zariadení a systémov v elektronickom inžinierstve. (Na podobné účely sa používa aj neutronografia, ktorá namiesto röntgenových lúčov využíva neutrónové lúče.) Röntgenové lúče sa používajú aj na iné účely, ako je skúmanie malieb na určenie ich pravosti alebo na detekciu ďalších vrstiev farby na hlavnej vrstve.
RTG DIFRAKCIA
Röntgenová difrakcia poskytuje dôležité informácie o pevných látkach – ich atómovej štruktúre a kryštalickej forme – ako aj o kvapalinách, amorfných telesách a veľkých molekulách. Difrakčná metóda sa používa aj na presné (s chybou menšou ako 10-5) určenie medziatómových vzdialeností, detekciu napätí a defektov a na určenie orientácie monokryštálov. Difrakčný obrazec dokáže identifikovať neznáme materiály, ako aj zistiť prítomnosť nečistôt vo vzorke a určiť ich. Význam röntgenovej difrakčnej metódy pre pokrok modernej fyziky možno len ťažko preceňovať, keďže moderné chápanie vlastností hmoty je v konečnom dôsledku založené na údajoch o usporiadaní atómov v rôznych chemických zlúčeninách, o povahe väzieb. medzi nimi a na štrukturálnych defektoch. Hlavným nástrojom na získanie týchto informácií je metóda röntgenovej difrakcie. Rôntgenová difrakčná kryštalografia je nevyhnutná na určenie štruktúr zložitých veľkých molekúl, ako sú molekuly deoxyribonukleovej kyseliny (DNA), genetického materiálu živých organizmov. Hneď po objavení röntgenového žiarenia sa vedecký a lekársky záujem sústredil tak na schopnosť tohto žiarenia prenikať cez telesá, ako aj na jeho povahu. Pokusy s difrakciou röntgenového žiarenia na štrbinách a difrakčných mriežkach ukázali, že patrí k elektromagnetickému žiareniu a má vlnovú dĺžku rádovo 10-8-10-9 cm.Už skôr vedci, najmä W. Barlow, hádali že pravidelný a symetrický tvar prírodných kryštálov je spôsobený usporiadaným usporiadaním atómov, ktoré tvoria kryštál. V niektorých prípadoch bol Barlow schopný správne predpovedať štruktúru kryštálu. Hodnota predpovedaných medziatómových vzdialeností bola 10-8 cm.Skutočnosť, že medziatómové vzdialenosti sa ukázali byť rádovo vlnovej dĺžky röntgenového žiarenia, umožnila v princípe pozorovať ich difrakciu. Výsledkom bol nápad na jeden z najdôležitejších experimentov v histórii fyziky. M. Laue zorganizoval experimentálny test tejto myšlienky, ktorý uskutočnili jeho kolegovia W. Friedrich a P. Knipping. V roku 1912 všetci traja publikovali svoju prácu o výsledkoch röntgenovej difrakcie. Princípy röntgenovej difrakcie. Aby sme pochopili fenomén röntgenovej difrakcie, musíme zvážiť: po prvé, spektrum röntgenových lúčov, po druhé, povahu kryštálovej štruktúry a po tretie samotný jav difrakcie. Ako už bolo spomenuté vyššie, charakteristické röntgenové žiarenie pozostáva zo série spektrálnych čiar vysokého stupňa monochromatičnosti, určených materiálom anódy. Pomocou filtrov si z nich vyberiete ten najintenzívnejší. Vhodným výberom materiálu anódy je preto možné získať zdroj takmer monochromatického žiarenia s veľmi presne definovanou hodnotou vlnovej dĺžky. Vlnové dĺžky charakteristického žiarenia sa zvyčajne pohybujú od 2,285 pre chróm do 0,558 pre striebro (hodnoty pre rôzne prvky sú známe šiestimi platnými číslicami). Charakteristické spektrum je superponované na súvislé „biele“ spektrum oveľa nižšej intenzity, v dôsledku spomalenia dopadajúcich elektrónov v anóde. Z každej anódy teda možno získať dva typy žiarenia: charakteristické a brzdné žiarenie, z ktorých každý hrá dôležitú úlohu svojím vlastným spôsobom. Atómy v kryštálovej štruktúre sú umiestnené v pravidelných intervaloch a tvoria sekvenciu identických buniek – priestorovú mriežku. Niektoré mriežky (napríklad pre väčšinu bežných kovov) sú celkom jednoduché, zatiaľ čo iné (napríklad pre molekuly bielkovín) sú dosť zložité. Kryštálovú štruktúru charakterizuje nasledovné: ak sa posunieme z určitého bodu jednej bunky do zodpovedajúceho bodu susednej bunky, nájde sa presne to isté atómové prostredie. A ak sa nejaký atóm nachádza v jednom alebo inom bode jednej bunky, potom ten istý atóm bude umiestnený v ekvivalentnom bode ktorejkoľvek susednej bunky. Tento princíp platí striktne pre dokonalý, ideálne usporiadaný kryštál. Mnohé kryštály (napríklad kovové tuhé roztoky) sú však do určitej miery neusporiadané; kryštalograficky ekvivalentné miesta môžu byť obsadené rôznymi atómami. V týchto prípadoch sa neurčuje poloha každého atómu, ale iba poloha atómu „štatisticky spriemerovaná“ na veľkom počte častíc (alebo buniek). Fenomén difrakcie je diskutovaný v článku OPTIKA a čitateľ si môže prečítať tento článok, kým prejde ďalej. Ukazuje, že ak vlny (napríklad zvuk, svetlo, röntgenové lúče) prechádzajú malou štrbinou alebo otvorom, potom tento môže byť považovaný za sekundárny zdroj vĺn a obraz štrbiny alebo otvoru pozostáva zo striedavého svetla. a tmavé pruhy. Ďalej, ak existuje periodická štruktúra otvorov alebo štrbín, potom v dôsledku zosilňujúcej a zoslabujúcej interferencie lúčov prichádzajúcich z rôznych otvorov vzniká jasný difrakčný obrazec. Röntgenová difrakcia je kolektívny rozptylový jav, v ktorom úlohu dier a rozptylových centier zohrávajú periodicky usporiadané atómy kryštálovej štruktúry. Vzájomné zosilnenie ich obrazov pri určitých uhloch poskytuje difrakčný obrazec podobný tomu, ktorý by bol výsledkom difrakcie svetla na trojrozmernej difrakčnej mriežke. K rozptylu dochádza v dôsledku interakcie dopadajúceho röntgenového žiarenia s elektrónmi v kryštáli. Vzhľadom na to, že vlnová dĺžka röntgenového žiarenia je rovnakého rádu ako rozmery atómu, vlnová dĺžka rozptýleného röntgenového žiarenia je rovnaká ako vlnová dĺžka dopadajúceho. Tento proces je výsledkom nútených oscilácií elektrónov pri pôsobení dopadajúceho röntgenového žiarenia. Uvažujme teraz o atóme s oblakom viazaných elektrónov (obklopujúcich jadro), na ktorý dopadajú röntgenové lúče. Elektróny vo všetkých smeroch súčasne rozptyľujú dopadajúce a vyžarujú vlastné röntgenové žiarenie rovnakej vlnovej dĺžky, aj keď rôznej intenzity. Intenzita rozptýleného žiarenia súvisí s atómovým číslom prvku, keďže atómové číslo sa rovná počtu orbitálnych elektrónov, ktoré sa môžu podieľať na rozptyle. (Túto závislosť intenzity od atómového čísla rozptylového prvku a od smeru, v ktorom sa intenzita meria, charakterizuje faktor rozptylu atómov, ktorý hrá mimoriadne dôležitú úlohu pri analýze štruktúry kryštálov.) vyberte v kryštálovej štruktúre lineárny reťazec atómov umiestnených v rovnakej vzdialenosti od seba a zvážte ich difrakčný obraz. Už bolo poznamenané, že röntgenové spektrum pozostáva zo súvislej časti ("kontinuum") a súboru intenzívnejších čiar charakteristických pre prvok, ktorým je materiál anódy. Povedzme, že sme odfiltrovali spojité spektrum a získali sme takmer monochromatický röntgenový lúč nasmerovaný na náš lineárny reťazec atómov. Podmienka zosilnenia (zosilňujúca interferencia) je splnená, ak je rozdiel medzi dráhami vĺn rozptýlených susednými atómami násobkom vlnovej dĺžky. Ak lúč dopadá pod uhlom a0 na čiaru atómov oddelených intervalmi a (perióda), potom pre difrakčný uhol a sa dráhový rozdiel zodpovedajúci zisku zapíše ako a(cos a - cosa0) = hl, kde l je vlnová dĺžka a h je celé číslo (obr. 4 a 5).

Na rozšírenie tohto prístupu na trojrozmerný kryštál je potrebné iba vybrať rady atómov v dvoch ďalších smeroch v kryštáli a vyriešiť takto získané tri rovnice spoločne pre tri kryštálové osi s periódami a, b a c. Ďalšie dve rovnice sú

Toto sú tri základné Laueove rovnice pre röntgenovú difrakciu, pričom čísla h, k a c sú Millerovými indexmi pre difrakčnú rovinu.
pozri tiež KRYŠTÁLY A KRYŠTALOGRAFIA. Ak vezmeme do úvahy niektorú z Laueových rovníc, napríklad prvú, môžeme si všimnúť, že keďže a, a0, l sú konštanty a h = 0, 1, 2, ..., jej riešenie môže byť reprezentované ako množina kužeľov s spoločná os a (obr. . 5). To isté platí pre smery b a c. Vo všeobecnom prípade trojrozmerného rozptylu (difrakcie) musia mať tri Laueove rovnice spoločné riešenie, t.j. tri difrakčné kužele umiestnené na každej z osí sa musia pretínať; spoločná priesečník je znázornený na obr. 6. Spoločné riešenie rovníc vedie k Bragg-Wulfovmu zákonu:

l = 2(d/n)sinq, kde d je vzdialenosť medzi rovinami s indexmi h, k a c (perióda), n = 1, 2, ... sú celé čísla (poradie difrakcie) a q je uhol tvorený dopadajúcim lúčom (ako aj difrakciou) s rovinou kryštálu, v ktorej k difrakcii dochádza. Analýzou rovnice Braggovho - Wolfeho zákona pre jediný kryštál umiestnený v dráhe monochromatického röntgenového lúča môžeme konštatovať, že difrakciu nie je ľahké pozorovať, pretože l a q sú pevné a sinq METÓDY DIFRAKČNEJ ANALÝZY
Laueho metóda. Laueho metóda využíva spojité „biele“ spektrum röntgenových lúčov, ktoré smeruje na stacionárny monokryštál. Pre konkrétnu hodnotu periódy d sa z celého spektra automaticky vyberie vlnová dĺžka zodpovedajúca Bragg-Wulfovej podmienke. Takto získané Laueove vzory umožňujú posúdiť smery difraktovaných lúčov a následne aj orientácie kryštálových rovín, čo tiež umožňuje vyvodiť dôležité závery o symetrii, orientácii kryštálu a prítomnosti nedostatkov v ňom. V tomto prípade sa však informácia o priestorovej perióde d stráca. Na obr. 7 ukazuje príklad lauegramu. Röntgenový film bol umiestnený na opačnej strane kryštálu, než na ktorú dopadal röntgenový lúč zo zdroja.

Debye-Scherrerova metóda (pre polykryštalické vzorky). Na rozdiel od predchádzajúcej metódy sa tu používa monochromatické žiarenie (l = const) a uhol q je rôzny. To sa dosiahne použitím polykryštalickej vzorky pozostávajúcej z mnohých malých kryštálov náhodnej orientácie, medzi ktorými sú tie, ktoré spĺňajú Bragg-Wulfovu podmienku. Difraktované lúče tvoria kužele, ktorých os smeruje pozdĺž röntgenového lúča. Na zobrazovanie sa zvyčajne používa úzky pásik röntgenového filmu vo valcovej kazete a röntgenové lúče sa šíria pozdĺž priemeru cez otvory vo filme. Takto získaný debyegram (obr. 8) obsahuje presné informácie o perióde d, t.j. o štruktúre kryštálu, ale neudáva informácie, ktoré Lauegram obsahuje. Preto sa obe metódy navzájom dopĺňajú. Pozrime sa na niektoré aplikácie Debye-Scherrerovej metódy.

Identifikácia chemických prvkov a zlúčenín. Z uhla q určeného z debyegramu sa dá vypočítať medzirovinná vzdialenosť d charakteristická pre daný prvok alebo zlúčeninu. V súčasnosti je zostavených veľa tabuliek hodnôt d, ktoré umožňujú identifikovať nielen jeden alebo iný chemický prvok alebo zlúčeninu, ale aj rôzne fázové stavy tej istej látky, čo nie vždy poskytuje chemickú analýzu. Zo závislosti periódy d na koncentrácii je možné s vysokou presnosťou určiť aj obsah druhej zložky v substitučných zliatinách.
Stresová analýza. Z nameraného rozdielu medzirovinných vzdialeností pre rôzne smery v kryštáloch, pri znalosti modulu pružnosti materiálu, je možné s vysokou presnosťou vypočítať malé napätia v ňom.
Štúdie preferenčnej orientácie v kryštáloch. Ak malé kryštály v polykryštalickej vzorke nie sú úplne náhodne orientované, potom budú mať prstence na debyegrame rôznu intenzitu. V prítomnosti výraznej preferovanej orientácie sú maximá intenzity sústredené v jednotlivých bodoch na obrázku, ktorý sa stáva podobným obrázku pre jeden kryštál. Napríklad pri hlbokom valcovaní za studena získava plech textúru - výraznú orientáciu kryštalitov. Podľa debaygramu možno posúdiť charakter spracovania materiálu za studena.
Štúdium veľkosti zŕn. Ak je veľkosť zŕn polykryštálu väčšia ako 10-3 cm, potom budú čiary na debyegrame pozostávať z jednotlivých škvŕn, pretože v tomto prípade počet kryštalitov nestačí na pokrytie celého rozsahu hodnôt uhlov. q. Ak je veľkosť kryštalitu menšia ako 10-5 cm, potom sa difrakčné čiary rozšíria. Ich šírka je nepriamo úmerná veľkosti kryštalitov. K rozšíreniu dochádza z rovnakého dôvodu, ako zníženie počtu štrbín znižuje rozlíšenie difrakčnej mriežky. Röntgenové žiarenie umožňuje určiť veľkosti zŕn v rozmedzí 10-7-10-6 cm.
Metódy pre monokryštály. Aby difrakcia kryštálom poskytla informácie nielen o priestorovej perióde, ale aj o orientácii každého súboru difrakčných rovín, používajú sa metódy rotujúceho monokryštálu. Na kryštál dopadá monochromatický röntgenový lúč. Kryštál sa otáča okolo hlavnej osi, pre ktorú sú splnené Laueove rovnice. V tomto prípade sa zmení uhol q, ktorý je zahrnutý vo vzorci Bragg-Wulf. Difrakčné maximá sa nachádzajú v priesečníku Laueových difrakčných kužeľov s valcovou plochou filmu (obr. 9). Výsledkom je difrakčný obrazec typu znázorneného na obr. 10. Komplikácie sú však možné kvôli prekrývaniu rôznych rádov difrakcie v jednom bode. Spôsob je možné výrazne zlepšiť, ak sa súčasne s rotáciou kryštálu určitým spôsobom pohybuje aj fólia.

Štúdie kvapalín a plynov. Je známe, že kvapaliny, plyny a amorfné telesá nemajú správnu kryštálovú štruktúru. Ale aj tu existuje medzi atómami v molekulách chemická väzba, vďaka ktorej vzdialenosť medzi nimi zostáva takmer konštantná, hoci samotné molekuly sú náhodne orientované v priestore. Takéto materiály tiež poskytujú difrakčný obrazec s relatívne malým počtom rozmazaných maxím. Spracovanie takéhoto obrazu modernými metódami umožňuje získať informácie o štruktúre aj takýchto nekryštalických materiálov.
SPEKTROCHEMICKÁ RTG ANALÝZA
Už niekoľko rokov po objavení röntgenového žiarenia Ch.Barkla (1877-1944) zistil, že pri pôsobení vysokoenergetického röntgenového toku na látku vznikajú sekundárne fluorescenčné röntgenové lúče, ktoré sú charakteristické pre prvok pod štúdium. Krátko nato G. Moseley v sérii svojich experimentov zmeral vlnové dĺžky primárneho charakteristického röntgenového žiarenia získaného bombardovaním rôznych prvkov elektrónmi a odvodil vzťah medzi vlnovou dĺžkou a atómovým číslom. Tieto experimenty a Braggov vynález röntgenového spektrometra položili základ pre spektrochemickú röntgenovú analýzu. Okamžite boli rozpoznané možnosti röntgenových lúčov pre chemickú analýzu. Spektrografy boli vytvorené s registráciou na fotografickej platni, v ktorej skúmaná vzorka slúžila ako anóda röntgenovej trubice. Žiaľ, táto technika sa ukázala ako veľmi pracná, a preto sa používala len vtedy, keď boli bežné metódy chemickej analýzy nepoužiteľné. Výnimočným príkladom inovatívneho výskumu v oblasti analytickej röntgenovej spektroskopie bol objav nového prvku hafnia v roku 1923 G. Hevesym a D. Costerom. Vývoj vysokovýkonných röntgenových trubíc pre rádiografiu a citlivých detektorov pre rádiochemické merania počas 2. svetovej vojny vo veľkej miere prispel k rýchlemu rastu röntgenovej spektrografie v nasledujúcich rokoch. Táto metóda sa rozšírila vďaka rýchlosti, pohodliu, nedeštruktívnej povahe analýzy a možnosti úplnej alebo čiastočnej automatizácie. Je použiteľný v problémoch kvantitatívnej a kvalitatívnej analýzy všetkých prvkov s atómovým číslom väčším ako 11 (sodík). A hoci sa röntgenová spektrochemická analýza zvyčajne používa na stanovenie najdôležitejších zložiek vo vzorke (od 0,1-100%), v niektorých prípadoch je vhodná pre koncentrácie 0,005% a dokonca aj nižšie.
Röntgenový spektrometer. Moderný röntgenový spektrometer pozostáva z troch hlavných systémov (obr. 11): excitačných systémov, t.j. röntgenová trubica s anódou vyrobenou z volfrámu alebo iného žiaruvzdorného materiálu a napájacím zdrojom; analytické systémy, t.j. kryštál analyzátora s dvoma viacštrbinovými kolimátormi, ako aj spektrogoniometer na jemné nastavenie; a registračné systémy s Geigerovým alebo proporcionálnym alebo scintilačným počítačom, ako aj s usmerňovačom, zosilňovačom, čítačmi a zapisovačom alebo iným záznamovým zariadením.

Röntgenová fluorescenčná analýza. Analyzovaná vzorka sa nachádza v dráhe vzrušujúcich röntgenových lúčov. Oblasť skúmanej vzorky je zvyčajne izolovaná maskou s otvorom požadovaného priemeru a žiarenie prechádza cez kolimátor, ktorý vytvára paralelný lúč. Za kryštálom analyzátora vyžaruje štrbinový kolimátor difraktované žiarenie pre detektor. Zvyčajne je maximálny uhol q obmedzený na 80-85°, takže iba röntgenové lúče, ktorých vlnová dĺžka l súvisí s medzirovinným rozostupom d pomocou nerovnosti l Röntgenová mikroanalýza. Vyššie opísaný kryštálový spektrometer plochého analyzátora možno prispôsobiť na mikroanalýzu. To sa dosiahne zúžením buď primárneho rôntgenového lúča alebo sekundárneho lúča emitovaného vzorkou. Zníženie efektívnej veľkosti vzorky alebo apertúry žiarenia však vedie k zníženiu intenzity zaznamenaného difraktovaného žiarenia. Zlepšenie tejto metódy je možné dosiahnuť použitím zakriveného kryštálového spektrometra, ktorý umožňuje registrovať kužeľ divergentného žiarenia a nielen žiarenie rovnobežné s osou kolimátora. Pomocou takéhoto spektrometra je možné identifikovať častice menšie ako 25 µm. Ešte väčšie zmenšenie veľkosti analyzovanej vzorky je dosiahnuté v mikroanalyzátore röntgenovej elektrónovej sondy, ktorý vynašiel R. Kasten. Tu vysoko zaostrený elektrónový lúč excituje charakteristickú röntgenovú emisiu vzorky, ktorá sa potom analyzuje spektrometrom s ohnutými kryštálmi. Pomocou takéhoto prístroja je možné vo vzorke s priemerom 1 μm detegovať množstvá látky rádovo 10–14 g. Boli vyvinuté aj inštalácie so skenovaním vzorky elektrónovým lúčom, pomocou ktorých je možné získať dvojrozmerný obrazec rozloženia na vzorke prvku, na ktorého charakteristické žiarenie je spektrometer naladený.
LEKÁRSKA RTG DIAGNOSTIKA
Vývoj röntgenovej technológie výrazne skrátil expozičný čas a zlepšil kvalitu snímok, čo umožňuje študovať aj mäkké tkanivá.
Fluorografia. Táto diagnostická metóda spočíva vo fotografovaní tieňového obrazu z priesvitného plátna. Pacient je umiestnený medzi zdroj röntgenového žiarenia a plochú obrazovku z fosforu (zvyčajne jodidu cézneho), ktorý pri vystavení röntgenovému žiareniu svieti. Biologické tkanivá rôzneho stupňa hustoty vytvárajú tiene röntgenového žiarenia s rôznym stupňom intenzity. Rádiológ skúma tieňový obraz na fluorescenčnej obrazovke a stanoví diagnózu. V minulosti sa rádiológ pri analýze obrazu spoliehal na víziu. Teraz existujú rôzne systémy, ktoré obraz zosilňujú, zobrazujú na televíznej obrazovke alebo zaznamenávajú dáta do pamäte počítača.
Rádiografia. Záznam röntgenového obrazu priamo na fotografický film sa nazýva rádiografia. V tomto prípade sa skúmaný orgán nachádza medzi zdrojom röntgenového žiarenia a filmom, ktorý zachytáva informácie o stave orgánu v danom čase. Opakovaná rádiografia umožňuje posúdiť jej ďalší vývoj. Rádiografia vám umožňuje veľmi presne preskúmať integritu kostného tkaniva, ktoré pozostáva hlavne z vápnika a je nepriehľadné pre röntgenové lúče, ako aj praskliny svalového tkaniva. S jeho pomocou sa lepšie ako fonendoskopom alebo počúvaním analyzuje stav pľúc v prípade zápalu, tuberkulózy alebo prítomnosti tekutiny. Pomocou rádiografie sa určuje veľkosť a tvar srdca, ako aj dynamika jeho zmien u pacientov trpiacich srdcovým ochorením.
kontrastné látky.Časti tela a dutiny jednotlivých orgánov, ktoré sú priehľadné pre röntgenové lúče, sa stanú viditeľnými, ak sa naplnia kontrastnou látkou, ktorá je pre telo neškodná, ale umožňuje vizualizáciu tvaru vnútorných orgánov a kontrolu ich funkcie. Pacient buď užíva kontrastné látky perorálne (ako sú soli bária pri štúdiu gastrointestinálneho traktu), alebo sa podávajú intravenózne (ako sú roztoky obsahujúce jód pri štúdiu obličiek a močových ciest). V posledných rokoch však tieto metódy vytlačili diagnostické metódy založené na použití rádioaktívnych atómov a ultrazvuku.
CT vyšetrenie. V 70. rokoch bola vyvinutá nová metóda röntgenovej diagnostiky, založená na kompletnej fotografii tela alebo jeho častí. Obrazy tenkých vrstiev ("plátky") spracuje počítač a konečný obraz sa zobrazí na obrazovke monitora. Táto metóda sa nazýva počítačová röntgenová tomografia. Je široko používaný v modernej medicíne na diagnostiku infiltrátov, nádorov a iných porúch mozgu, ako aj na diagnostiku ochorení mäkkých tkanív vo vnútri tela. Táto technika nevyžaduje zavádzanie cudzích kontrastných látok, a preto je rýchlejšia a účinnejšia ako tradičné techniky.
BIOLOGICKÉ PÔSOBENIE RTG ŽIARENIA
Škodlivý biologický účinok röntgenového žiarenia objavil krátko po jeho objavení Roentgen. Ukázalo sa, že nové žiarenie môže spôsobiť niečo ako ťažké spálenie od slnka (erytém), sprevádzané však hlbším a trvalejším poškodením kože. Objavujúce sa vredy sa často zmenili na rakovinu. V mnohých prípadoch museli byť prsty alebo ruky amputované. Boli aj úmrtia. Zistilo sa, že poškodeniu pokožky možno predísť skrátením času expozície a dávky, použitím tienenia (napr. olova) a diaľkových ovládačov. Postupne sa však odhalili ďalšie, dlhodobejšie účinky vystavenia röntgenovému žiareniu, ktoré sa potom potvrdili a študovali na pokusných zvieratách. Účinky v dôsledku pôsobenia röntgenového žiarenia, ako aj iného ionizujúceho žiarenia (ako je gama žiarenie emitované rádioaktívnymi materiálmi) zahŕňajú: 1) dočasné zmeny v zložení krvi po relatívne malom nadmernom ožiarení; 2) nezvratné zmeny v zložení krvi (hemolytická anémia) po dlhšej nadmernej expozícii; 3) zvýšenie výskytu rakoviny (vrátane leukémie); 4) rýchlejšie starnutie a skorá smrť; 5) výskyt šedého zákalu. Okrem toho biologické pokusy na myšiach, králikoch a muchách (Drosophila) ukázali, že aj malé dávky systematického ožarovania veľkých populácií v dôsledku zvýšenia rýchlosti mutácií vedú k škodlivým genetickým účinkom. Väčšina genetikov uznáva použiteľnosť týchto údajov na ľudský organizmus. Čo sa týka biologického účinku röntgenového žiarenia na ľudský organizmus, ten je určený úrovňou dávky žiarenia, ako aj tým, ktorý konkrétny orgán tela bol žiareniu vystavený. Ochorenia krvi sú napríklad spôsobené ožiarením krvotvorných orgánov, najmä kostnej drene, a genetickými následkami - ožiarením pohlavných orgánov, ktoré môže viesť aj k sterilite. Nahromadenie poznatkov o účinkoch röntgenového žiarenia na ľudský organizmus viedlo k vypracovaniu národných a medzinárodných noriem pre prípustné dávky žiarenia, publikovaných v rôznych referenčných knihách. Okrem röntgenových lúčov, ktoré sú ľuďmi cielene využívané, existuje aj takzvané rozptýlené, bočné žiarenie, ktoré vzniká z rôznych príčin, napríklad v dôsledku rozptylu v dôsledku nedokonalosti olovenej ochrannej clony, ktorá nie je úplne absorbovať toto žiarenie. Okrem toho mnohé elektrické zariadenia, ktoré nie sú určené na produkciu röntgenového žiarenia, napriek tomu vytvárajú röntgenové lúče ako vedľajší produkt. Medzi takéto zariadenia patria elektrónové mikroskopy, vysokonapäťové usmerňovacie lampy (kenotróny), ako aj kineskopy zastaraných farebných televízorov. Výroba moderných farebných kineskopov v mnohých krajinách je teraz pod kontrolou vlády.
NEBEZPEČNÉ FAKTORY RTG ŽIARENIA
Druhy a stupeň nebezpečenstva röntgenového žiarenia pre ľudí závisia od kontingentu ľudí vystavených žiareniu.
Profesionáli pracujúci s röntgenovým zariadením. Do tejto kategórie patria rádiológovia, zubári, ako aj vedeckí a technickí pracovníci a personál, ktorý udržiava a používa röntgenové zariadenia. Prijímajú sa účinné opatrenia na zníženie úrovne radiácie, s ktorou sa musia vysporiadať.
pacientov. Neexistujú tu žiadne prísne kritériá a bezpečnú úroveň žiarenia, ktorú pacienti počas liečby dostávajú, určujú ošetrujúci lekári. Lekárom sa odporúča, aby zbytočne nevystavovali pacientov röntgenovému žiareniu. Osobitná opatrnosť je potrebná pri vyšetrovaní tehotných žien a detí. V tomto prípade sa prijímajú špeciálne opatrenia.
Metódy kontroly. Má to tri aspekty:
1) dostupnosť primeraného vybavenia, 2) dodržiavanie bezpečnostných predpisov, 3) správne používanie vybavenia. Pri röntgenovom vyšetrení by mala byť žiareniu vystavená len požadovaná oblasť, či už ide o zubné vyšetrenie alebo vyšetrenie pľúc. Všimnite si, že ihneď po vypnutí röntgenového prístroja zmizne primárne aj sekundárne žiarenie; nedochádza ani k zvyškovému žiareniu, ktoré nie vždy vedia ani tí, ktorí sú s ním vo svojej práci priamo spojení.
pozri tiež
ŠTRUKTÚRA ATÓMU;

Röntgenové lúče objavil náhodou v roku 1895 slávny nemecký fyzik Wilhelm Roentgen. Študoval katódové lúče v nízkotlakovej plynovej výbojke s vysokým napätím medzi jej elektródami. Napriek tomu, že trubica bola v čiernej skrinke, Roentgen si všimol, že fluorescenčná obrazovka, ktorá bola náhodou blízko, žiarila zakaždým, keď bola trubica v prevádzke. Ukázalo sa, že trubica je zdrojom žiarenia, ktoré dokáže preniknúť papierom, drevom, sklom a dokonca aj polcentimetrovou hliníkovou doskou.

Röntgen určil, že plynová výbojka je zdrojom nového typu neviditeľného žiarenia s vysokou prenikavou silou. Vedec nedokázal určiť, či je toto žiarenie prúdom častíc alebo vĺn a rozhodol sa dať mu názov röntgenové lúče. Neskôr sa nazývali röntgenové lúče.

Teraz je známe, že röntgenové lúče sú formou elektromagnetického žiarenia, ktoré má kratšiu vlnovú dĺžku ako ultrafialové elektromagnetické vlny. Vlnová dĺžka röntgenového žiarenia sa pohybuje od 70 nm až 10-5 nm. Čím kratšia je vlnová dĺžka röntgenových lúčov, tým väčšia je energia ich fotónov a tým väčšia je penetračná sila. Röntgenové lúče s relatívne dlhou vlnovou dĺžkou (viac ako 10 nm), sa volajú mäkké. Vlnová dĺžka 1 - 10 nm charakterizuje tvrdý röntgenové lúče. Majú veľkú penetračnú silu.

Získanie röntgenových lúčov

Röntgenové lúče vznikajú, keď rýchle elektróny alebo katódové lúče narážajú na steny alebo anódu nízkotlakovej výbojky. Moderná röntgenová trubica je evakuovaná sklenená nádoba s katódou a v nej umiestnenou anódou. Potenciálny rozdiel medzi katódou a anódou (antikatódou) dosahuje niekoľko stoviek kilovoltov. Katóda je volfrámové vlákno vyhrievané elektrickým prúdom. To vedie k emisii elektrónov katódou v dôsledku termionickej emisie. Elektróny sú urýchľované elektrickým poľom v röntgenovej trubici. Keďže v trubici je veľmi malý počet molekúl plynu, elektróny na ceste k anóde prakticky nestrácajú svoju energiu. Dosahujú anódu veľmi vysokou rýchlosťou.

Röntgenové lúče vznikajú vždy, keď sú vysokorýchlostné elektróny retardované materiálom anódy. Väčšina elektrónovej energie sa rozptýli ako teplo. Preto musí byť anóda umelo chladená. Anóda v röntgenovej trubici musí byť vyrobená z kovu s vysokou teplotou topenia, ako je napríklad volfrám.

Časť energie, ktorá sa nerozptýli vo forme tepla, sa premení na energiu elektromagnetických vĺn (röntgenové žiarenie). Röntgenové lúče sú teda výsledkom bombardovania materiálu anódy elektrónmi. Existujú dva typy röntgenového žiarenia: brzdné žiarenie a charakteristické.

Bremsstrahlung X-ray

Bremsstrahlung nastáva, keď sú elektróny pohybujúce sa vysokou rýchlosťou spomalené elektrickými poľami atómov anódy. Podmienky spomalenia jednotlivých elektrónov nie sú rovnaké. V dôsledku toho prechádzajú rôzne časti ich kinetickej energie na energiu röntgenového žiarenia.

Spektrum brzdného žiarenia je nezávislé od povahy materiálu anódy. Ako viete, energia röntgenových fotónov určuje ich frekvenciu a vlnovú dĺžku. Brzdné röntgenové lúče preto nie sú monochromatické. Vyznačuje sa rôznymi vlnovými dĺžkami, ktoré môžu byť reprezentované spojité (spojité) spektrum.

Röntgenové lúče nemôžu mať väčšiu energiu ako je kinetická energia elektrónov, ktoré ich tvoria. Najkratšia vlnová dĺžka röntgenového žiarenia zodpovedá maximálnej kinetickej energii spomaľujúcich elektrónov. Čím väčší je potenciálny rozdiel v röntgenovej trubici, tým menšie sú vlnové dĺžky röntgenového žiarenia.

Charakteristické röntgenové lúče

Charakteristické röntgenové žiarenie nie je spojité, ale čiarové spektrum. Tento typ žiarenia nastáva, keď rýchly elektrón po dosiahnutí anódy vstúpi do vnútorných orbitálov atómov a vyradí jeden z ich elektrónov. V dôsledku toho sa objaví voľný priestor, ktorý môže byť vyplnený ďalším elektrónom zostupujúcim z jedného z horných atómových orbitálov. Tento prechod elektrónu z vyššej na nižšiu energetickú hladinu spôsobuje röntgenové žiarenie určitej diskrétnej vlnovej dĺžky. Preto má charakteristické röntgenové žiarenie čiarové spektrum. Frekvencia charakteristických čiar žiarenia úplne závisí od štruktúry elektrónových orbitálov atómov anódy.

Spektrálne čiary charakteristického žiarenia rôznych chemických prvkov majú rovnakú formu, pretože štruktúra ich vnútorných elektrónových dráh je identická. Ale ich vlnová dĺžka a frekvencia sú spôsobené energetickými rozdielmi medzi vnútornými orbitálmi ťažkých a ľahkých atómov.

Frekvencia čiar charakteristického röntgenového spektra sa mení v súlade s atómovým číslom kovu a je určená Moseleyho rovnicou: v 1/2 = A(Z-B), kde Z- atómové číslo chemického prvku, A a B- konštanty.

Primárne fyzikálne mechanizmy interakcie röntgenového žiarenia s hmotou

Primárna interakcia medzi röntgenovým žiarením a hmotou je charakterizovaná tromi mechanizmami:

1. Koherentný rozptyl. Táto forma interakcie nastáva, keď röntgenové fotóny majú menšiu energiu ako väzbová energia elektrónov k jadru atómu. V tomto prípade energia fotónu nestačí na uvoľnenie elektrónov z atómov hmoty. Fotón nie je absorbovaný atómom, ale mení smer šírenia. V tomto prípade zostáva vlnová dĺžka röntgenového žiarenia nezmenená.

2. Fotoelektrický efekt (fotoelektrický efekt). Keď röntgenový fotón dosiahne atóm hmoty, môže vyradiť jeden z elektrónov. K tomu dochádza, keď energia fotónu prevyšuje väzbovú energiu elektrónu s jadrom. V tomto prípade je fotón absorbovaný a elektrón je uvoľnený z atómu. Ak fotón nesie viac energie, ako je potrebné na uvoľnenie elektrónu, odovzdá zvyšnú energiu uvoľnenému elektrónu vo forme kinetickej energie. Tento jav, nazývaný fotoelektrický efekt, nastáva, keď sa absorbuje relatívne nízkoenergetické röntgenové žiarenie.

Atóm, ktorý stratí jeden zo svojich elektrónov, sa stáva kladným iónom. Životnosť voľných elektrónov je veľmi krátka. Sú absorbované neutrálnymi atómami, ktoré sa menia na záporné ióny. Výsledkom fotoelektrického javu je intenzívna ionizácia hmoty.

Ak je energia fotónu röntgenového žiarenia menšia ako ionizačná energia atómov, potom atómy prejdú do excitovaného stavu, ale nie sú ionizované.

3. Nekoherentný rozptyl (Comptonov efekt). Tento efekt objavil americký fyzik Compton. Vyskytuje sa, keď látka absorbuje röntgenové lúče malej vlnovej dĺžky. Fotónová energia takéhoto röntgenového žiarenia je vždy väčšia ako ionizačná energia atómov látky. Comptonov efekt je výsledkom interakcie vysokoenergetického röntgenového fotónu s jedným z elektrónov vo vonkajšom obale atómu, ktorý má relatívne slabú väzbu na atómové jadro.

Vysokoenergetický fotón odovzdá časť svojej energie elektrónu. Excitovaný elektrón sa uvoľní z atómu. Zvyšok energie pôvodného fotónu je emitovaný ako röntgenový fotón väčšej vlnovej dĺžky v určitom uhle k smeru primárneho fotónu. Sekundárny fotón môže ionizovať ďalší atóm atď. Tieto zmeny smeru a vlnovej dĺžky röntgenového žiarenia sú známe ako Comptonov efekt.

Niektoré účinky interakcie röntgenových lúčov s hmotou

Ako bolo uvedené vyššie, röntgenové lúče sú schopné excitovať atómy a molekuly hmoty. To môže spôsobiť fluorescenciu určitých látok (napr. síran zinočnatý). Ak je paralelný lúč röntgenových lúčov nasmerovaný na nepriehľadné objekty, potom je možné pozorovať prechod lúčov cez objekt umiestnením obrazovky potiahnutej fluorescenčnou látkou.

Fluorescenčnú obrazovku je možné nahradiť fotografickým filmom. Röntgenové lúče majú na fotografickú emulziu rovnaký účinok ako svetlo. Obe metódy sa používajú v praktickej medicíne.

Ďalším dôležitým účinkom röntgenového žiarenia je jeho ionizačná schopnosť. Závisí to od ich vlnovej dĺžky a energie. Tento efekt poskytuje metódu na meranie intenzity röntgenového žiarenia. Pri prechode röntgenového žiarenia cez ionizačnú komoru vzniká elektrický prúd, ktorého veľkosť je úmerná intenzite röntgenového žiarenia.

Absorpcia röntgenového žiarenia hmotou

Pri prechode röntgenového žiarenia hmotou ich energia klesá v dôsledku absorpcie a rozptylu. Oslabenie intenzity paralelného zväzku röntgenových lúčov prechádzajúceho látkou je určené Bouguerovho zákonom: I = I0 e -μd, kde ja 0- počiatočná intenzita röntgenového žiarenia; ja je intenzita röntgenového žiarenia prechádzajúceho vrstvou hmoty, d- hrúbka absorbujúcej vrstvy , μ - koeficient lineárneho útlmu. Rovná sa súčtu dvoch veličín: t- lineárny koeficient absorpcie a σ - koeficient lineárneho rozptylu: μ = τ+ σ

V experimentoch sa zistilo, že lineárny absorpčný koeficient závisí od atómového čísla látky a vlnovej dĺžky röntgenového žiarenia:

τ = kρZ 3 λ 3, kde k- koeficient priamej úmernosti, ρ - hustota látky, Z je atómové číslo prvku, λ je vlnová dĺžka röntgenových lúčov.

Závislosť na Z je z praktického hľadiska veľmi dôležitá. Napríklad absorpčný koeficient kostí, ktoré sa skladajú z fosforečnanu vápenatého, je takmer 150-krát vyšší ako absorpčný koeficient mäkkých tkanív ( Z=20 pre vápnik a Z= 15 pre fosfor). Keď röntgenové lúče prechádzajú ľudským telom, kosti zreteľne vystupujú na pozadí svalov, spojivového tkaniva atď.

Je známe, že tráviace orgány majú rovnaký absorpčný koeficient ako ostatné mäkké tkanivá. Ale tieň pažeráka, žalúdka a čriev sa dá rozlíšiť, ak pacient požije kontrastnú látku - síran bárnatý ( Z= 56 pre bárium). Síran bárnatý je veľmi nepriepustný pre röntgenové lúče a často sa používa na röntgenové vyšetrenia gastrointestinálneho traktu. Určité nepriehľadné zmesi sa vstrekujú do krvného obehu, aby sa vyšetril stav krvných ciev, obličiek a podobne. V tomto prípade sa ako kontrastná látka používa jód, ktorého atómové číslo je 53.

Závislosť absorpcie rtg Z používa sa aj na ochranu pred možnými škodlivými účinkami röntgenového žiarenia. Na tento účel sa používa olovo, hodnota Z za čo je 82.

Použitie röntgenových lúčov v medicíne

Dôvodom použitia röntgenových lúčov v diagnostike bola ich vysoká penetračná sila, jedna z hlavných Röntgenové vlastnosti. V prvých dňoch objavovania sa röntgenové lúče používali najmä na skúmanie zlomenín kostí a na lokalizáciu cudzích telies (ako sú guľky) v ľudskom tele. V súčasnosti sa používa viacero diagnostických metód pomocou röntgenového žiarenia (röntgenová diagnostika).

Fluoroskopia . Röntgenové zariadenie pozostáva zo zdroja röntgenového žiarenia (röntgenovej trubice) a fluorescenčnej clony. Po prechode röntgenových lúčov cez telo pacienta lekár pozoruje tieňový obraz pacienta. Medzi obrazovkou a očami lekára by malo byť nainštalované olovené okienko, aby sa lekár chránil pred škodlivými účinkami röntgenového žiarenia. Táto metóda umožňuje študovať funkčný stav niektorých orgánov. Napríklad lekár môže priamo pozorovať pohyby pľúc, prechod kontrastnej látky cez gastrointestinálny trakt. Nevýhodou tejto metódy sú nedostatočné kontrastné snímky a relatívne vysoké dávky žiarenia, ktoré pacient dostáva počas zákroku.

Fluorografia . Táto metóda spočíva v odfotografovaní časti tela pacienta. Používajú sa spravidla na predbežné štúdium stavu vnútorných orgánov pacientov pomocou nízkych dávok röntgenového žiarenia.

Rádiografia. (röntgenová rádiografia). Ide o metódu výskumu pomocou röntgenových lúčov, počas ktorej sa obraz zaznamenáva na fotografický film. Fotografie sa zvyčajne robia v dvoch na seba kolmých rovinách. Táto metóda má určité výhody. Röntgenové fotografie obsahujú viac detailov ako obrázok na fluorescenčnej obrazovke, a preto sú informatívnejšie. Môžu byť uložené pre ďalšiu analýzu. Celková dávka žiarenia je menšia ako dávka používaná pri fluoroskopii.

Počítačová röntgenová tomografia . Počítačový axiálny tomografický skener je najmodernejšie röntgenové diagnostické zariadenie, ktoré vám umožňuje získať jasný obraz akejkoľvek časti ľudského tela vrátane mäkkých tkanív orgánov.

Prvá generácia počítačovej tomografie (CT) obsahuje špeciálnu röntgenovú trubicu, ktorá je pripevnená k valcovému rámu. Na pacienta je nasmerovaný tenký lúč röntgenových lúčov. Dva röntgenové detektory sú pripevnené na opačnej strane rámu. Pacient je v strede rámu, ktorý sa môže otáčať o 180 0 okolo jeho tela.

Röntgenový lúč prechádza cez stacionárny objekt. Detektory prijímajú a zaznamenávajú hodnoty absorpcie rôznych tkanív. Záznamy sa vykonajú 160-krát, pričom sa röntgenová trubica pohybuje lineárne pozdĺž skenovanej roviny. Potom sa rám otočí o 1 0 a postup sa opakuje. Nahrávanie pokračuje, kým sa rám neotočí o 180°. Každý detektor zaznamená počas štúdie 28800 snímok (180x160). Informácie spracuje počítač a pomocou špeciálneho počítačového programu sa vytvorí obraz vybranej vrstvy.

Druhá generácia CT využíva viacero röntgenových lúčov a až 30 röntgenových detektorov. To umožňuje urýchliť proces výskumu až o 18 sekúnd.

Tretia generácia CT využíva nový princíp. Široký lúč röntgenových lúčov vo forme vejára pokrýva skúmaný objekt a röntgenové žiarenie, ktoré prešlo telom, zaznamenáva niekoľko stoviek detektorov. Čas potrebný na výskum sa skráti na 5-6 sekúnd.

CT má mnoho výhod oproti skorším röntgenovým diagnostickým metódam. Vyznačuje sa vysokým rozlíšením, ktoré umožňuje rozlíšiť jemné zmeny v mäkkých tkanivách. CT umožňuje odhaliť také patologické procesy, ktoré nie je možné zistiť inými metódami. Okrem toho použitie CT umožňuje znížiť dávku röntgenového žiarenia, ktoré pacienti dostanú počas diagnostického procesu.