Основні властивості рентгенівського випромінювання

1. Велика проникаюча та іонізуюча здатність.

2. Не відхиляються електричним та магнітним полем.

3. Мають фотохімічну дію.

4. Викликають свічення речовин.

5. Відображення, заломлення та дифракція як у видимого випромінювання.

6. Надають біологічну дію на живі клітини.

1. Взаємодія з речовиною

Довжина хвилі рентгенівських променів можна порівняти з розмірами атомів, тому немає матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, у рентгенівській оптиці було знайдено способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів. Зокрема, з'ясувалося, що їх добре відображає алмаз.

Рентгенівські промені можуть проникати крізь речовину, причому різні речовини по-різному їх поглинають. Поглинання рентгенівських променів є найважливішою їх властивістю у рентгенівській зйомці. Інтенсивність рентгенівських променів експоненційно зменшується залежно від пройденого шляху в поглинаючому шарі (I = I0e-kd, де d – товщина шару, коефіцієнт k пропорційний Z³λ³, Z – атомний номер елемента, λ – довжина хвилі).

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

Під фотопоглинанням розуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більшою за деяке мінімальне значення. Якщо розглядати ймовірність акта поглинання в залежності від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії можливість безперервно зменшується. Через таку залежність кажуть, що існує межа поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, при цьому випромінюється випромінювання з меншою енергією фотона, відбувається т.з. процес флюоресценції.

Рентгенівський фотон може взаємодіяти не тільки зі зв'язаними електронами, а й із вільними, а також слабозв'язаними електронами. Відбувається розсіювання фотонів на електронах – т.з. комптонівське розсіювання. Залежно від кута розсіювання довжина хвилі фотона збільшується на певну величину і, відповідно, енергія зменшується. Комптонівське розсіювання, в порівнянні з фотопоглинанням, стає переважним при більш високих енергіях фотона.

Крім названих процесів існує ще одна важлива можливість поглинання - рахунок виникнення электрон-позитронных пар. Однак для цього необхідні енергії понад 1,022 МеВ, які лежать поза вищезазначеною межею рентгенівського випромінювання (<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.

[ред.]

2. Біологічний вплив

Рентгенівське випромінювання є іонізуючим. Воно впливає на тканини живих організмів і може бути причиною променевої хвороби, променевих опіків та злоякісних пухлин. Тому при роботі з рентгенівським випромінюванням необхідно дотримуватися заходів захисту. Вважається, що поразка прямо пропорційно поглиненою дозою випромінювання. Рентгенівське випромінювання є мутагенним фактором.

[ред.]

3. Реєстрація

Ефект люмінесценції. Рентгенівські промені здатні викликати у деяких речовин свічення (флюоресценцію). Цей ефект використовується в медичній діагностиці при рентгеноскопії (спостереження зображення на флюоресцентному екрані) та рентгенівській зйомці (рентгенографії). Медичні фотоплівки, як правило, застосовуються в комбінації з підсилюючими екранами, до складу яких входять рентгенолюмінофори, що світяться під дією рентгенівського випромінювання і засвічує світлочутливу фотоемульсію. Метод отримання зображення у натуральну величину називається рентгенографією. При флюорографії зображення виходить у зменшеному масштабі. Люмінесцентну речовину (сцинтилятор) можна оптично з'єднати з електронним детектором світлового випромінювання (фотоелектронний помножувач, фотодіод тощо), отриманий прилад називається сцинтиляційним детектором. Він дозволяє реєструвати окремі фотони та вимірювати їх енергію, оскільки енергія сцинтиляційного спалаху пропорційна енергії поглиненого фотона.

Фотографічний ефект. Рентгенівські промені, як і звичайне світло, здатні безпосередньо засвічувати фотографічну емульсію. Однак без флюоресцентного шару для цього потрібна у 30-100 разів більша експозиція (тобто доза). Перевагою цього методу (відомого під назвою безекранна рентгенографія) є велика різкість зображення.

У напівпровідникових детекторах рентгенівські промені виробляють пари електрон-дірка в p-n переході діода, включеного в напрямі, що замикає. При цьому протікає невеликий струм, амплітуда якого пропорційна енергії та інтенсивності рентгенівського випромінювання. В імпульсному режимі можлива реєстрація окремих рентгенівських фотонів та вимірювання їхньої енергії.

Окремі фотони рентгенівського випромінювання можуть бути зареєстровані за допомогою газонаповнених детекторів іонізуючого випромінювання (лічильник Гейгера, пропорційна камера та ін.).

Застосування

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

Виявлення дефектів у виробах (рейках, зварювальних швах тощо) за допомогою рентгенівського випромінювання називається рентгенівською дефектоскопією.

У матеріалознавстві, кристалографії, хімії та біохімії рентгенівські промені використовуються для з'ясування структури речовин на атомному рівні за допомогою дифракційного розсіювання рентгенівського випромінювання (рентгеноструктурний аналіз). Відомим прикладом є визначення структури ДНК.

Крім того, за допомогою рентгенівських променів можна визначити хімічний склад речовини. В електронно-променевому мікрозонді (або в електронному мікроскопі) аналізована речовина опромінюється електронами, при цьому атоми іонізуються і випромінюють характеристичне рентгенівське випромінювання. Замість електронів можна використовувати рентгенівське випромінювання. Цей аналітичний метод називається рентгенофлуоресцентним аналізом.

В аеропортах активно застосовуються рентгенотелевізійні інтроскопи, що дозволяють переглядати вміст ручної поклажі та багажу з метою візуального виявлення на екрані монітора предметів, що становлять небезпеку.

Рентгенотерапія - розділ променевої терапії, що охоплює теорію і практику лікувального застосування рентгенівських променів, що генеруються при напрузі на рентгенівській трубці 20-60 кв і шкірно-фокусній відстані 3-7 см (короткодистанційна рентгенотерапія) або при напрузі 30-150 см (дистанційна рентгенотерапія).

Рентгенотерапію проводять переважно при поверхнево розташованих пухлинах і при деяких інших захворюваннях, у тому числі захворюваннях шкіри (ультрам'які рентгенівські промені Буккі).

[ред.]

Природне рентгенівське випромінювання

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

1895 року німецький фізик В.Рентген відкрив новий, не відомий раніше вид електромагнітного випромінювання, яке на честь його першовідкривача було названо рентгенівським. В. Рентген став автором свого відкриття у віці 50 років, обіймаючи посаду ректора Вюрцбурзького Університету та маючи репутацію одного з найкращих експериментаторів свого часу. Одним із перших знайшов технічне застосування відкриття Рентгена американець Едісон. Він створив зручний демонстраційний апарат і вже в травні 1896 року організував у Нью-Йорку рентгенівську виставку, на якій відвідувачі могли розглядати власну руку на екрані, що світиться. Після того, як помічник Едісона помер від важких опіків, які він отримав під час постійних демонстрацій, винахідник припинив подальші досліди з рентгенівськими променями.

Рентгенівське випромінювання стали застосовувати у медицині у зв'язку з його великою проникаючою здатністю. Спочатку рентгенівське випромінювання використовувалося для дослідження переломів кісток і визначення розташування сторонніх тіл у тілі людини. Нині є кілька методів, заснованих на рентгенівському випромінюванні. Але ці методи мають свої недоліки: випромінювання може викликати глибокі пошкодження шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходили в рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Рентгеноскопія(Синонім просвічування) - один з основних методів рентгенологічного дослідження, що полягає в отриманні на екрані, що просвічує (флюоресціює) площинного позитивного зображення досліджуваного об'єкта. При рентгеноскопії досліджуваний знаходиться між екраном, що просвічує, і рентгенівською трубкою. На сучасних рентгенівських екранах, що просвічують, зображення виникає в момент включення рентгенівської трубки і зникає відразу ж після її вимкнення. Рентгеноскопія дає можливість вивчити функцію органу – пульсацію серця, дихальні рухи ребер, легень, діафрагми, перистальтику органів травного тракту тощо. Рентгеноскопія використовується при лікуванні захворювань шлунка, шлунково-кишкового тракту, 12-палої кишки, захворювань печінки, жовчного міхура та жовчовивідних шляхів. При цьому медичний зонд та маніпулятори вводять без пошкодження тканин, а дії в процесі операції контролюються рентгеноскопією та видно на моніторі.
Рентгенографія -метод рентгенодіагностики з реєстрацією нерухомого зображення на світлочутливому матеріалі – спец. фотоплівка (рентгенівська плівка) або фотопапір з подальшою фотообробкою; при цифровій рентгенографії зображення фіксується у пам'яті комп'ютера. Виконується на рентгенодіагностичних апаратах – стаціонарних, встановлених у спеціально обладнаних рентгенівських кабінетах, або пересувних та переносних – біля ліжка хворого або в операційній. На рентгенограмах значно виразніше, ніж на флюоресцентному екрані, відображаються елементи структур різних органів. Рентгенографію виконують з метою виявлення та профілактики різних захворювань, основна мета її допомогти лікарям різних спеціальностей правильно та швидко поставити діагноз. Рентгенівський знімок фіксує стан органу чи тканини лише у момент зйомки. Однак одноразова рентгенограма фіксує лише анатомічні зміни у певний момент, вона дає статику процесу; за допомогою серії рентгенограм, зроблених через певні проміжки часу, можна вивчити динаміку процесу, тобто функціональні зміни. Томографія.Слово томографія можна перекласти з грецької як "Зображення зрізу".Це означає, що призначення томографії – отримання пошарового зображення внутрішньої структури об'єкта дослідження. Комп'ютерна томогарфія характеризується високою роздільною здатністю, яка дозволяє розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КТ дозволяє зменшити дозу рентгенівського випромінювання, одержуваного у процесі діагностики пацієнтами.
Флюорографія- діагностичний метод, що дозволяє отримати зображення органів і тканин, був розроблений ще наприкінці 20-го століття, через рік після того, як було виявлено рентгенівське проміння. На знімках можна розглянути склероз, фіброз, сторонні предмети, новоутворення, запалення, що мають розвинений ступінь, присутність у порожнинах газів та інфільтрату, абсцеси, кісти тощо. Найчастіше проводиться флюорографія грудної клітки, що дозволяє виявити туберкульоз, злоякісну пухлину в легенях або грудях та інші патології.
Рентгенотерапія- Це сучасний метод, за допомогою якого проводиться лікування деяких патологій суглобів. Основними напрямками лікування ортопедичних захворювань даним методом є: Хронічні. Запальні процеси суглобів (артрит, поліартрит); Дегенеративні (остеоартроз, остеохондроз, деформуючий спондильоз). Метою рентгенотерапіїє пригнічення життєдіяльності клітин патологічно змінених тканин або повне їхнє руйнування. При непухлинних захворюваннях рентгенотерапія спрямована на пригнічення запальної реакції, пригнічення проліферативних процесів, зниження больової чутливості та секреторної активності залоз. Слід враховувати, що найбільш чутливі до рентгенівських променів статеві залози, кровотворні органи, лейкоцити, клітини злоякісних пухлин. Дозу опромінення у кожному конкретному випадку визначають індивідуально.

За відкриття рентгенівських променів Рентгену 1901 року було присуджено першу Нобелівську премію з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття.
Таким чином, рентгенівські промені є невидимим електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі 105 - 102 нм. Рентгенівські промені можуть проникати через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Випускаються вони при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр). Джерелами рентгенівського випромінювання є: рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання). Приймачі – фотоплівка, люмінісцентні екрани, детектори ядерних випромінювань. Рентгенівські промені застосовують у рентгеноструктурному аналізі, медицині, дефектоскопії, рентгенівському спектральному аналізі тощо.

Рентгенівське випромінювання (синонім рентгенівські промені) - з широким діапазоном довжин хвиль (від 8·10 -6 до 10 -12 див). Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні заряджених частинок, найчастіше електронів, в електричному полі атомів речовини. Кванти, що при цьому утворюються, мають різну енергію і утворюють безперервний спектр. Максимальна енергія квантів у такому спектрі дорівнює енергії електронів, що налітають. В максимальна енергія квантів рентгенівського випромінювання, виражена в кілоелектрон-вольтах, чисельно дорівнює величині прикладеного до трубки напруги, вираженого в кіловольтах. При проходженні речовини рентгенівське випромінювання взаємодіє з електронами його атомів. Для квантів рентгенівського випромінювання з енергією до 100 кев найбільш характерним видом взаємодії є фотоефект. Внаслідок такої взаємодії енергія кванта повністю витрачається на виривання електрона з атомної оболонки та повідомлення йому кінетичної енергії. Зі зростанням енергії кванта рентгенівського випромінювання ймовірність фотоефекту зменшується і переважає процес розсіювання квантів на вільних електронах - так званий комптон-ефект. В результаті такої взаємодії також утворюється вторинний електрон і, крім того, вилітає квант з меншою енергією, ніж енергія первинного кванта. Якщо енергія кванта рентгенівського випромінювання перевищує один мегаелектрон-вольт, може місце так званий ефект утворення пар, при якому утворюються електрон і позитрон (див. ). Отже, при проходженні через речовину відбувається зменшення рентгенівського енергії випромінювання, тобто зменшення його інтенсивності. Оскільки при цьому з більшою ймовірністю відбувається поглинання квантів низької енергії, має місце збагачення рентгенівського випромінювання квантами вищої енергії. Цю властивість рентгенівського випромінювання використовують збільшення середньої енергії квантів, т. е. збільшення його жорсткості. Досягається збільшення жорсткості рентгенівського випромінювання за допомогою спеціальних фільтрів (див. ). Рентгенівське випромінювання застосовують для рентгенодіагностики (див.) та (див.). також Випромінювання іонізуючі.

Рентгенівське випромінювання (синонім: рентгенівські промені, рентгенові промені) - квантове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 250 до 0,025 А (або квантів анергії від 5 10 -2 до 5 10 2 кев). У 1895 р. відкрито В. К. Рентгеном. Сумежну з рентгенівським випромінюванням спектральну область електромагнітного випромінювання, кванти енергії якого перевищують 500 кев, називають гамма-випромінюванням (див.); випромінювання, кванти енергії якого нижче значень 0,05 кев, становить ультрафіолетове випромінювання (див.).

Таким чином, представляючи відносно невелику частину великого спектру електромагнітних випромінювань, до якого входять і радіохвилі і видиме світло, рентгенівське випромінювання, як і будь-яке електромагнітне випромінювання, поширюється зі швидкістю світла (в порожнечі близько 300 тис. км/сек) і характеризується довжиною хвилі ( відстань, на яку випромінювання поширюється за один період коливання). Рентгенівське випромінювання має також ряд інших хвильових властивостей (заломлення, інтерференція, дифракція), проте спостерігати їх значно складніше, ніж у більш довгохвильового випромінювання: видимого світла, радіохвиль.

Спектри рентгенівського випромінювання: а1 – суцільний гальмівний спектр при 310 кв; а – суцільний гальмівний спектр при 250 кв, а1 – спектр, фільтрований 1 мм Cu, а2 – спектр, фільтрований 2 мм Cu, б – К-серія лінії вольфраму.

Для генерування рентгенівського випромінювання застосовують рентгенівські трубки, в яких випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів з атомами речовини анода. Розрізняють рентгенівські випромінювання двох видів: гальмівне та характеристичне. Гальмівне рентгенівське випромінювання, що має суцільний спектр, подібно до звичайного білого світла. Розподіл інтенсивності в залежності від довжини хвилі (рис.) представляється кривою з максимумом; у бік довгих хвиль крива спадає порожнього, а бік коротких - круто і обривається за певної довжини хвилі (λ0), званої короткохвильовою межею суцільного спектра. Величина λ0 обернено пропорційна напрузі на трубці. Гальмівне випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів із ядрами атомів. Інтенсивність гальмівного випромінювання прямо пропорційна силі анодного струму, квадрату напруги на трубці та атомному номеру (Z) речовини анода.

Якщо енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перевищує критичну для речовини анода величину (ця енергія визначається критичним для цієї речовини напругою на трубці Vкр), виникає характеристичне випромінювання. Характеристичний спектр - лінійний, його спектральні лінії утворюють серії, що позначаються буквами К, L, М, N.

Серія К - найбільш короткохвильова, серія L - більш довгохвильова, серії М і N спостерігаються тільки у важких елементів (Vкр вольфраму для К-серії - 69,3 кв, для L-серії - 12,1 кв). Характеристичне випромінювання виникає в такий спосіб. Швидкі електрони вибивають атомні електрони із внутрішніх оболонок. Атом збуджується, а потім повертається до основного стану. При цьому електрони із зовнішніх, менш пов'язаних оболонок заповнюють місця, що звільнилися у внутрішніх оболонках, і випромінюються фотони характеристичного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій атома в збудженому і основному стані. Ця різниця (а отже, і енергія фотона) має певне значення, характерне для кожного елемента. Це явище є основою рентгеноспектрального аналізу елементів. На малюнку видно лінійний спектр вольфраму і натомість суцільного спектра гальмівного випромінювання.

Енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перетворюється майже повністю на теплову (анод у своїй сильно нагрівається), лише незначна частина (близько 1% при напрузі, близькому до 100 кв) перетворюється на енергію гальмівного випромінювання.

Застосування рентгенівського випромінювання в медицині ґрунтується на законах поглинання рентгенових променів речовиною. Поглинання рентгенівського випромінювання не залежить від оптичних властивостей речовини поглинача. Безбарвне та прозоре свинцеве скло, яке використовується для захисту персоналу рентгенівських кабінетів, практично повністю поглинає рентгенівське випромінювання. Навпаки, аркуш паперу, не прозорий світла, не послаблює рентгенівського випромінювання.

Інтенсивність однорідного (тобто певної довжини хвилі) пучка рентгенівського випромінювання при проходженні через шар поглинача зменшується за експоненційним законом (е-х), де е - основа натуральних логарифмів (2,718), а показник експоненти х дорівнює добутку масового коефіцієнта /р) см 2 /г на товщину поглинача в г/см 2 (тут р - густина речовини в г/см 3). Ослаблення рентгенівського випромінювання відбувається за рахунок розсіювання, і з допомогою поглинання. Відповідно масовий коефіцієнт ослаблення є сумою масових коефіцієнтів поглинання та розсіювання. Масовий коефіцієнт поглинання різко зростає зі збільшенням атомного номера (Z) поглинача (пропорційно Z3 або Z5) та зі збільшенням довжини хвилі (пропорційно λ3). Зазначена залежність від довжини хвилі спостерігається в межах смуг поглинання, на межах яких коефіцієнт виявляє стрибки.

Масовий коефіцієнт розсіювання зростає із збільшенням атомного номера речовини. При λ≥0,ЗÅ коефіцієнт розсіювання від довжини хвилі не залежить, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Зменшення коефіцієнтів поглинання та розсіювання зі зменшенням довжини хвилі зумовлює зростання проникаючої здатності рентгенівського випромінювання. Масовий коефіцієнт поглинання для кісток майже в 70 разів більше, ніж для м'яких тканин, де поглинання в основному обумовлено водою. Це пояснює, чому рентгенограмах так різко виділяється тінь кісток і натомість м'яких тканин.

Поширення неоднорідного пучка рентгенівського випромінювання через будь-яке середовище поряд із зменшенням інтенсивності супроводжується зміною спектрального складу, зміною якості випромінювання: довгохвильова частина спектра поглинається більшою мірою, ніж короткохвильова, випромінювання стає одноріднішим. Відфільтрування довгохвильової частини спектра дозволяє при рентгенотерапії вогнищ, глибоко розташованих у тілі людини, покращити співвідношення між глибинною та поверхневою дозами (див. Рентгенівські фільтри). Для характеристики якості неоднорідного пучка рентгенових променів використовується поняття шар половинного ослаблення (Л) - шар речовини, що послаблює випромінювання наполовину. Товщина цього шару залежить від напруги на трубці, товщині та матеріалу фільтра. Для вимірювання шарів половинного ослаблення використовують целофан (до енергії 12 кев), алюміній (20-100 кев), мідь (60-300 кев), свинець та мідь (>300 кев). Для рентгенових променів, що генеруються при напругах 80-120 кв, 1 мм міді по фільтруючій здатності еквівалентний 26 мм алюмінію, 1 мм свинцю - 50,9 мм алюмінію.

Поглинання та розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено його корпускулярними властивостями; рентгенівське випромінювання взаємодіє з атомами як потік корпускул (часток) - фотонів, кожен із яких має певну енергію (назад пропорційну довжині хвилі рентгенівського випромінювання). Інтервал енергії рентгенівських фотонів 0,05-500 кев.

Поглинання рентгенівського випромінювання обумовлено фотоелектричним ефектом: поглинання фотона електронною оболонкою супроводжується вириванням електрона. Атом збуджується і, повертаючись до основного стану, випромінює характеристичне випромінювання. Вилітаючий фотоелектрон забирає всю енергію фотона (за вирахуванням енергії зв'язку електрона в атомі).

Розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено електронами розсіюючого середовища. Розрізняють класичне розсіювання (довжина хвилі випромінювання не змінюється, але змінюється напрямок поширення) та розсіювання зі зміною довжини хвилі – комптон-ефект (довжина хвилі розсіяного випромінювання більше, ніж падаючого). В останньому випадку фотон поводиться як кулька, що рухається, а розсіювання фотонів відбувається, за образним висловом Комнтона, на кшталт гри на більярді фотонами і електронами: стикаючись з електроном, фотон передає йому частину своєї енергії і розсіюється, володіючи вже меншою енергією (відповідно довжина хвилі розсіяний випромінювання збільшується), електрон вилітає з атома з енергією віддачі (ці електрони називають комптон-електронами, або електронами віддачі). Поглинання енергії рентгенівського випромінювання відбувається при утворенні вторинних електронів (комптон - та фотоелектронів) та передачі їм енергії. Енергія рентгенівського випромінювання, передана одиниці маси речовини, визначає поглинену дозу рентгенівського випромінювання. Одиниця цієї дози 1 рад відповідає 100 ерг/г. За рахунок поглиненої енергії в речовині поглинача протікає ряд вторинних процесів, що мають важливе значення для дозиметрії рентгенівського випромінювання, оскільки саме на них ґрунтуються методи вимірювання рентгенівського випромінювання. (Див. Дозиметрія).

Усі гази та багато рідини, напівпровідники та діелектрики під дією рентгенівського випромінювання збільшують електричну провідність. Провідність виявляють найкращі ізоляційні матеріали: парафін, слюда, гума, бурштин. Зміна провідності обумовлена ​​іонізацією середовища, тобто поділом нейтральних молекул на позитивні та негативні іони (іонізацію виробляють вторинні електрони). Іонізація у повітрі використовується для визначення експозиційної дози рентгенівського випромінювання (дози у повітрі), яка вимірюється в рентгенах (див. Дози іонізуючих випромінювань). При дозі 1 р поглинена доза повітря становить 0,88 рад.

Під дією рентгенівського випромінювання внаслідок збудження молекул речовини (і за рекомбінації іонів) збуджується у часто видиме світіння речовини. При більших інтенсивностях рентгенівського випромінювання спостерігається видиме світіння повітря, паперу, парафіну тощо (виняток становлять метали). Найбільший вихід видимого світіння дають такі кристалічні люмінофори, як ZnCdSAg-фосфор та інші, що застосовуються для екранів при рентгеноскопії.

Під дією рентгенівського випромінювання в речовині можуть проходити також різні хімічні процеси: розкладання галоїдних сполук срібла (фотографічний ефект, що використовується при рентгенографії), розкладання води та водних розчинів перекису водню, зміна властивостей целулоїду (помутніння та виділення камфори), парафіну (помутніння) .

В результаті повного перетворення вся поглинена хімічно інертною речовиною енергія рентгенівське випромінювання перетворюється на теплоту. Вимір дуже малих кількостей теплоти вимагає високочутливих методів, зате є основним способом абсолютних вимірів рентгенівського випромінювання.

Побічні біологічні ефекти від впливу рентгенівського випромінювання є основою медичної рентгенотерапії (див.). Рентгенівські випромінювання, кванти яких становлять 6-16 кев (ефективні довжини хвиль від 2 до 5 Å), практично повністю поглинаються шкірним покривом тканини людського тіла; вони називаються прикордонними променями, або іноді променями Буккі (див. Буккі промені). Для глибокої рентгенотерапії застосовується фільтроване жорстке випромінювання з ефективними квантами енергії від 100 до 300 кев.

Біологічна дія рентгенівського випромінювання повинна враховуватися не тільки при рентгенотерапії, а й при рентгенодіагностиці, а також у всіх інших випадках контакту з рентгенівським випромінюванням, які потребують протипроменевого захисту (див.).

РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ
невидиме випромінювання, здатне проникати, хоч і по-різному, у всі речовини. Є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі близько 10-8 см. Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у корінні зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах. Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад сполуки. При падінні на кристалічну речовину пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала. Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку ґрунтується на тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може вплинути і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна бути дотримана крайня обережність. Рентгенівське випромінювання було відкрито німецьким фізиком Ст Рентгеном (1845-1923). Його ім'я увічнено й у деяких інших фізичних термінах, пов'язаних із цим випромінюванням: рентгеном називається міжнародна одиниця дози іонізуючого випромінювання; знімок, зроблений у рентгенівському апараті, називається рентгенограмою; область радіологічної медицини, в якій використовуються рентгенівські промені для діагностики та лікування захворювань, називається рентгенологією. Рентген відкрив випромінювання в 1895 році, будучи професором фізики Вюрцбурзького університету. Проводячи експерименти з катодними променями (потоками електронів у розрядних трубках), він помітив, що розташований поблизу вакуумної трубки екран, покритий кристалічним ціаноплатінітом барію, яскраво світиться, хоча сама трубка закрита чорним картоном. Далі Рентген встановив, що проникаюча здатність виявлених невідомих променів, які він назвав Х-променями, залежить від складу поглинаючого матеріалу. Він отримав також зображення кісток власної руки, помістивши її між розрядною трубкою з катодними променями та екраном із покриттям з ціаноплатініту барію. За відкриттям Рентгена пішли експерименти інших дослідників, які виявили багато нових властивостей та можливостей застосування цього випромінювання. Великий внесок зробили М.Лауе, В.Фрідріх і П.Кніппінг, які в 1912 продемонстрували дифракцію рентгенівського випромінювання при проходженні його через кристал; У.Кулідж, який у 1913 винайшов високовакуумну рентгенівську трубку з підігрітим катодом; Г.Мозлі, який встановив у 1913 залежність між довжиною хвилі випромінювання та атомним номером елемента; Г. і Л. Бреггі, які отримали в 1915 Нобелівську премію за розробку основ рентгеноструктурного аналізу.
ОТРИМАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Рентгенівське випромінювання виникає при взаємодії електронів, що рухаються з більшими швидкостями, з речовиною. Коли електрони стикаються з атомами будь-якої речовини, вони швидко втрачають свою кінетичну енергію. При цьому більша її частина переходить у тепло, а невелика частка, зазвичай менше 1%, перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. Ця енергія вивільняється у формі квантів - частинок, званих фотонами, які мають енергію, але маса спокою яких дорівнює нулю. Рентгенівські фотони відрізняються своєю енергією, обернено пропорційною їх довжині хвилі. При звичайному способі одержання рентгенівського випромінювання одержують широкий діапазон довжин хвиль, який називають рентгенівським спектром. У спектрі є яскраво виражені компоненти, як це показано на рис. 1. Широкий "континуум" називають безперервним спектром чи білим випромінюванням. Гострі піки, що накладаються на нього, називаються характеристичними рентгенівськими лініями випромінювання. Хоча весь спектр є результатом зіткнень електронів з речовиною, механізми виникнення його широкої частини і ліній різні. Речовина складається з великої кількості атомів, кожен з яких має ядро, оточене електронними оболонками, причому кожен електрон в оболонці атома даного елемента займає певний дискретний рівень енергії. Зазвичай, ці оболонки, або енергетичні рівні, позначають символами K, L, M і т.д., починаючи від найближчої до ядра оболонки. Коли електрон, що налітає, володіє досить великою енергією, співударюється з одним із пов'язаних з атомом електронів, він вибиває цей електрон з його оболонки. Спустілі місце займає інший електрон з оболонки, якій відповідає велика енергія. Цей останній дає надлишок енергії, випускаючи рентгенівський фотон. Оскільки електрони оболонок мають дискретні значення енергії, рентгенівські фотони, що виникають, теж мають дискретний спектр. Цьому відповідають гострі піки для певних довжин хвиль, конкретні значення яких залежить від елемента-мишени. Характеристичні лінії утворюють K-, L- та M-серії, залежно від того, з якої оболонки (K, L або M) був видалений електрон. Співвідношення між довжиною хвилі рентгенівського випромінювання та атомним номером називається законом Мозлі (рис. 2).

Якщо електрон наштовхується на відносно важке ядро, він гальмується, яке кінетична енергія виділяється як рентгенівського фотона приблизно тієї ж енергії. Якщо ж він пролетить повз ядро, то втратить лише частину своєї енергії, а решту буде передавати іншим атомам, що трапляються на його шляху. Кожен акт втрати енергії веде до випромінювання фотону з якоюсь енергією. Виникає безперервний рентгенівський спектр, верхня межа якого відповідає енергії найшвидшого електрона. Такий механізм утворення безперервного спектру, а максимальна енергія (або мінімальна довжина хвилі), що фіксує межу безперервного спектру, пропорційна прискорюючому напрузі, яким визначається швидкість електронів, що налітають. Спектральні лінії характеризують матеріал мішені, що бомбардується, а безперервний спектр визначається енергією електронного пучка і практично не залежить від матеріалу мішені. Рентгенівське випромінювання можна отримувати не тільки електронним бомбардуванням, а й опроміненням мішені рентгенівським випромінюванням від іншого джерела. У цьому випадку, проте, більшість енергії падаючого пучка перетворюється на характеристичний рентгенівський діапазон і дуже мала її частка посідає безперервний. Очевидно, що пучок падаючого рентгенівського випромінювання повинен містити фотони, енергія яких достатня для збудження характеристичних ліній елемента, що бомбардується. Високий відсоток енергії, що припадає на характеристичний спектр робить такий спосіб збудження рентгенівського випромінювання зручним для наукових досліджень.
Рентгенівські трубки.Щоб отримувати рентгенівське випромінювання з допомогою взаємодії електронів з речовиною, необхідно мати джерело електронів, засоби прискорення до високих швидкостей і мета, здатну витримувати електронну бомбардування і давати рентгенівське випромінювання необхідної інтенсивності. Пристрій, де все це є, називається рентгенівською трубкою. Ранні дослідники користувалися "глибоко вакуумованими" трубками типу сучасних газорозрядних. Вакуум у них був не дуже високий. У газорозрядних трубках міститься невелика кількість газу, і коли на електроди трубки подається велика різниця потенціалів, атоми газу перетворюються на позитивні та негативні іони. Позитивні рухаються до негативного електрода (катода) і, падаючи на нього, вибивають з нього електрони, а вони, у свою чергу, рухаються до позитивного електрода (анода) і, бомбардуючи його, створюють потік рентгенівських фотонів. У сучасній рентгенівській трубці, розробленій Куліджем (рис. 3), джерелом електронів є вольфрамовий катод, що нагрівається до високої температури. Електрони прискорюються до великих швидкостей високою різницею потенціалів між анодом (або антикатодом) та катодом. Оскільки електрони мають досягти анода без зіткнень з атомами, необхідний дуже високий вакуум, для чого потрібно добре відкачати трубку. Цим також знижуються ймовірність іонізації атомів газу, що залишилися, і зумовлені нею побічні струми.

Електрони фокусуються на аноді за допомогою електрода особливої ​​форми, що оточує катод. Цей електрод називається фокусуючим і разом із катодом утворює "електронний прожектор" трубки. Анод, що піддається електронному бомбардуванню, повинен бути виготовлений з тугоплавкого матеріалу, оскільки більша частина кінетичної енергії бомбардуючих електронів перетворюється на тепло. З іншого боку, бажано, щоб анод був із матеріалу з великим атомним номером, т.к. Вихід рентгенівського випромінювання зростає зі збільшенням атомного номера. В якості матеріалу анода найчастіше вибирається вольфрам, атомний номер якого дорівнює 74. Конструкція рентгенівських трубок може бути різною залежно від умов застосування та вимог.
Виявлення РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Усі методи виявлення рентгенівського випромінювання ґрунтуються на їх взаємодії з речовиною. Детектори можуть бути двох видів: ті, що дають зображення, і ті, що його не дають. До перших відносяться пристрої рентгенівської флюорографії та рентгеноскопії, в яких пучок рентгенівського випромінювання проходить через об'єкт, що досліджується, а минуле випромінювання потрапляє на люмінесцентний екран або фотоплівку. Зображення виникає завдяки тому, що різні частини об'єкта, що досліджується, поглинають випромінювання по-різному - в залежності від товщини речовини і його складу. У детекторах з люмінесцентним екраном енергія рентгенівського випромінювання перетворюється на безпосередньо спостережуване зображення, а рентгенографії воно реєструється на чутливої ​​емульсії і його можна спостерігати лише після прояву плівки. До другого типу детекторів відносяться найрізноманітніші пристрої, в яких енергія рентгенівського випромінювання перетворюється на електричні сигнали, що характеризують відносну інтенсивність випромінювання. Сюди входять іонізаційні камери, лічильник Гейгера, пропорційний лічильник, сцинтиляційний лічильник та деякі спеціальні детектори на основі сульфіду та селеніду кадмію. Нині найефективнішими детекторами вважатимуться сцинтиляційні лічильники, добре працюють у широкому діапазоні енергій.
Див. такожДЕТЕКТОРИ ЧАСТОК . Детектор вибирається з урахуванням умов завдання. Наприклад, якщо потрібно точно виміряти інтенсивність дифрагованого рентгенівського випромінювання, то застосовуються лічильники, що дозволяють виміряти з точністю до часткою відсотка. Якщо потрібно зареєструвати дуже багато дифрагованих пучків, то доцільно користуватися рентгенівської плівкою, хоча в цьому випадку визначити інтенсивність з тією ж точністю неможливо.
РЕНТГЕНІВСЬКА ТА ГАММА-ДЕФЕКТОСКОПІЯ
Одне з найпоширеніших застосувань рентгенівського випромінювання у промисловості - контроль якості матеріалів та дефектоскопія. Рентгенівський метод є неруйнівним, так що матеріал, що перевіряється, якщо він знайдений задовольняючим необхідним вимогам, може потім використовуватися за призначенням. І рентгенівська, і гамма-дефектоскопія засновані на здатності рентгенівського випромінювання і особливостях його поглинання в матеріалах. Проникаюча здатність визначається енергією рентгенівських фотонів, яка залежить від напруги, що прискорює, в рентгенівській трубці. Тому товсті зразки і зразки з важких металів, таких, наприклад, як золото і уран, вимагають для дослідження рентгенівського джерела з більш високою напругою, а для тонких зразків достатньо джерела і з більш низькою напругою. Для гамма-дефектоскопії дуже великих виливків та великого прокату застосовуються бетатрони та лінійні прискорювачі, що прискорюють частки до енергій 25 МеВ та більше. Поглинання рентгенівського випромінювання в матеріалі залежить від товщини поглинача d і коефіцієнта поглинання m і визначається формулою I = I0e-md, де I - інтенсивність випромінювання, що пройшло через поглинач, I0 - інтенсивність падаючого випромінювання, а e = 2718 - основа натуральних логарифмів. Для даного матеріалу за даної довжини хвилі (або енергії) рентгенівського випромінювання коефіцієнт поглинання є константою. Але випромінювання рентгенівського джерела перестав бути монохроматичным, а містить широкий спектр довжин хвиль, унаслідок чого поглинання за однієї й тієї ж товщині поглинача залежить від довжини хвилі (частоти) випромінювання. Рентгенівське випромінювання широко застосовується у всіх галузях промисловості, пов'язаних із обробкою металів тиском. Воно також застосовується для контролю артилерійських стволів, харчових продуктів, пластмас, для перевірки складних пристроїв та систем в електронній техніці. (Для аналогічних цілей застосовується і нейтронографія, в якій замість рентгенівського випромінювання використовуються нейтронні пучки.) Рентгенівське випромінювання застосовується і для інших завдань, наприклад, для дослідження полотен живопису з метою встановлення їх справжності або виявлення додаткових шарів фарби поверх основного шару.
ДИФРАКЦІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Дифракція рентгенівського випромінювання дає важливу інформацію про тверді тіла - їх атомну структуру і форму кристалів, а також про рідини, аморфні тіла і великі молекули. Дифракційний метод застосовується також для точного (з похибкою менше 10-5) визначення міжатомних відстаней, виявлення напружень та дефектів та визначення орієнтації монокристалів. За дифракційною картиною можна ідентифікувати невідомі матеріали, а також виявити присутність у зразку домішок та визначити їх. Значення рентгенівського дифракційного методу для прогресу сучасної фізики важко переоцінити, оскільки сучасне розуміння властивостей матерії засноване в кінцевому рахунку на даних про розташування атомів у різних хімічних сполуках, характер зв'язків між ними і про дефекти структури. Головним інструментом одержання цієї інформації є дифракційний рентгенівський метод. Рентгенівська дифракційна кристалографія вкрай важлива визначення структур складних великих молекул, таких, як молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) - генетичного матеріалу живих організмів. Відразу після відкриття рентгенівського випромінювання науковий і медичний інтерес було сконцентровано як у можливості цього випромінювання проникати крізь тіла, і з його природі. Експерименти з дифракції рентгенівського випромінювання на щілинах та дифракційних ґратах показували, що воно відноситься до електромагнітного випромінювання і має довжину хвилі порядку 10-8-10-9 см. Ще раніше вчені, зокрема У. Барлоу, здогадувалися, що правильна та симетрична форма природних кристалів обумовлена ​​впорядкованим розміщенням атомів, що утворюють кристал. У деяких випадках Барлоу вдалося правильно передбачити структуру кристала. Розмір передбачуваних міжатомних відстаней становила 10-8 див. Те, що міжатомні відстані виявилися порядку довжини хвилі рентгенівського випромінювання, у принципі дозволяло спостерігати їх дифракцію. В результаті виник задум одного з найважливіших експериментів в історії фізики. М.Лауе організував експериментальну перевірку цієї ідеї, яку провели його колеги В. Фрідріх та П. Кніпінг. У 1912 році вони втрьох опублікували свою роботу про результати дифракції рентгенівського випромінювання. Принципи дифракції рентгенівського випромінювання Щоб зрозуміти явище дифракції рентгенівського випромінювання, слід розглянути по порядку: по-перше, спектр рентгенівського випромінювання, по-друге, природу кристалічної структури і, по-третє, саме явище дифракції. Як говорилося вище, характеристичне рентгенівське випромінювання складається з серій спектральних ліній високого ступеня монохроматичності, визначених матеріалом анода. За допомогою фільтрів можна виділити найінтенсивніші з них. Тому, обравши відповідним чином матеріал анода, можна одержати джерело майже монохроматичного випромінювання з точно визначеним значенням довжини хвилі. Довжини хвиль характеристичного випромінювання зазвичай лежать у діапазоні від 2,285 для хрому до 0,558 для срібла (значення для різних елементів відомі з точністю до шести цифр). Характеристичний спектр накладається на безперервний "білий" спектр значно меншої інтенсивності, обумовлений гальмуванням в аноді електронів, що падають. Таким чином, від кожного анода можна отримати два типи випромінювання: характеристичне та гальмівне, кожне з яких відіграє важливу роль. Атоми в кристалічній структурі розташовуються з правильною періодичністю, утворюючи послідовність однакових осередків - просторові ґрати. Деякі грати (наприклад, більшість звичайних металів) досить прості, інші (наприклад, для молекул білків) дуже складні. Для кристалічної структури характерно наступне: якщо від деякої заданої точки одного осередку зміститися до відповідної точки сусіднього осередку, то виявиться таке саме атомне оточення. І якщо деякий атом розташований у тій чи іншій точці одного осередку, то в еквівалентній їй точці будь-якого сусіднього осередку буде знаходитися такий самий атом. Цей принцип суворо справедливий для ідеального, ідеально впорядкованого кристала. Проте багато кристали (наприклад, металеві тверді розчини) є у тому чи іншою мірою невпорядкованими, тобто. кристалографічно еквівалентні місця можуть бути зайняті різними атомами. У цих випадках визначається не становище кожного атома, а лише становище атома, "статистично усередненого" за великою кількістю частинок (або осередків). Явище дифракції у статті ОПТИКА, і читач може звернутися до цієї статті, як рухатися далі. Там показано, що якщо хвилі (наприклад, звук, світло, рентгенівське випромінювання) проходять через невелику щілину або отвір, то останні можуть розглядатися як вторинне джерело хвиль, а зображення щілини або отвори складається з світлих і темних смуг, що чергуються. Далі, якщо є періодична структура з отворів або щілин, то в результаті посилюючої та послаблюючої інтерференції променів, що йдуть від різних отворів, виникає чітка дифракційна картина. Дифракція рентгенівського випромінювання - це колективне явище розсіювання, у якому роль отворів і центрів розсіювання грають періодично розташовані атоми кристалічної структури. Взаємне посилення їх зображень при певних кутах дає дифракційну картину, аналогічну до тієї, яка виникла б при дифракції світла на тривимірній дифракційній решітці. Розсіювання відбувається завдяки взаємодії падаючого рентгенівського випромінювання з електронами кристалі. Внаслідок того, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання того ж порядку, що й розміри атома, довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання та сама, що і падаючого. Цей процес є результатом вимушених коливань електронів під дією рентгенівського випромінювання. Розглянемо тепер атом із хмарою зв'язаних електронів (навколишніх ядро), який падає рентгенівське випромінювання. Електрони у всіх напрямках одночасно розсіюють падаюче і випромінюють власне рентгенівське випромінювання тієї ж довжини хвилі, хоч і різної інтенсивності. Інтенсивність розсіяного випромінювання пов'язані з атомним номером елемента, т.к. атомний номер дорівнює числу орбітальних електронів, які можуть брати участь у розсіянні. (Ця залежність інтенсивності від атомного номера розсіюючого елемента і від напрямку, в якому вимірюється інтенсивність, характеризується атомним фактором розсіювання, який відіграє надзвичайно важливу роль в аналізі структури кристалів.) Виберемо в кристалічній структурі лінійний ланцюжок атомів, розташованих на однаковій відстані один від одного, і розглянемо їхню дифракційну картину. Вже зазначалося, що рентгенівський спектр складається з безперервної частини ("континууму") та набору інтенсивніших ліній, характерних для того елемента, який є матеріалом анода. Припустимо, ми відфільтрували безперервний спектр і отримали майже монохроматичний пучок рентгенівського випромінювання, спрямований на наш лінійний ланцюг атомів. Умова посилення (що посилює інтерференції) виконується, якщо різниця ходу хвиль, розсіяних сусідніми атомами, кратна довжини хвилі. Якщо пучок падає під кутом a0 до лінії атомів, розділених інтервалами a (період), то для кута дифракції a різниця ходу, що відповідає посиленню, запишеться у вигляді a(cos a - cosa0) = hl де l - довжина хвилі, а h - ціле число (рис. 4 та 5).

Щоб поширити цей підхід на тривимірний кристал, необхідно лише вибрати ряди атомів за двома іншими напрямками в кристалі і вирішити спільно отримані таким чином три рівняння трьох кристалічних осей з періодами a, b і c. Два інші рівняння мають вигляд

Це - три фундаментальні рівняння Лауе для дифракції рентгенівського випромінювання, причому числа h, k і c - індекси Міллера для площини дифракції.
Див. такожКРИСТАЛИ І КРИСТАЛОГРАФІЯ. Розглядаючи будь-яке з рівнянь Лауе, наприклад перше, можна помітити, що оскільки a, a0, l - константи, а h = 0, 1, 2, ..., його рішення можна подати у вигляді набору конусів із загальною віссю a (рис 5). Те саме вірно для напрямків b і c. У випадку тривимірного розсіювання (дифракція) три рівняння Лауе повинні мати загальне рішення, тобто. три дифракційні конуси, розташовані на кожній з осей, повинні перетинатися; загальна лінія перетину показано на рис. 6. Спільне рішення рівнянь призводить до закону Брегга – Вульфа:

l = 2(d/n)sinq, де d - відстань між площинами з індексами h, k і c (період), n = 1, 2, ... - цілі числа (порядок дифракції), а q - кут, що утворюється падаючим пучком (а також і дифрагіруючим) з площиною кристала, в якій відбувається дифракція. Аналізуючи рівняння закону Брегга - Вульфа для монокристалу, розташованого шляху монохроматичного пучка рентгенівського випромінювання, можна зробити висновок, що дифракцію непросто спостерігати, т.к. величини l і q фіксовані, а sinq МЕТОДИ ДИФРАКЦІЙНОГО АНАЛІЗУ
Метод Лауе.У методі Лауе застосовується безперервний "білий" спектр рентгенівського випромінювання, яке прямує на нерухомий монокристал. Для конкретного значення періоду d зі всього спектра автоматично вибирається відповідне умові Брегга - Вульфа значення довжини хвилі. Отримувані таким чином лауеграми дають можливість судити про напрями дифрагованих пучків і, отже, про орієнтації площин кристала, що дозволяє зробити важливі висновки щодо симетрії, орієнтації кристала і наявності в ньому дефектів. Однак, втрачається інформація про просторовий період d. На рис. 7 наводиться приклад лауеграми. Рентгенівська плівка розташовувалась з боку кристала, протилежної тій, на яку падав рентгенівський пучок із джерела.

Метод Дебая – Шеррера (для полікристалічних зразків).На відміну від попереднього методу тут використовується монохроматичне випромінювання (l = const), а варіюється кут q. Це досягається використанням полікристалічного зразка, що складається з численних дрібних кристалітів випадкової орієнтації, серед яких є такі, що задовольняють умові Брегга - Вульфа. Дифраговані пучки утворюють конуси, вісь яких спрямована вздовж пучка рентгенівського випромінювання. Для зйомки зазвичай використовується вузька смужка рентгенівської плівки в циліндричній касеті, а рентгенівські промені поширюються діаметром через отвори в плівці. Отримана в такий спосіб дебаеграма (рис. 8) містить точну інформацію періоді d, тобто. про структуру кристала, але не дає інформації, яку містить лауеграма. Тому обидва методи взаємно доповнюють одне одного. Розглянемо деякі застосування методу Дебая – Шеррера.

Ідентифікація хімічних елементів та сполук. За певним з дебаеграми куті q можна обчислити характерну для даного елемента або з'єднання міжплощинну відстань d. Нині складено безліч таблиць значень d, дозволяють ідентифікувати як той чи інший хімічний елемент чи сполуку, а й різні фазові стану однієї й тієї ж речовини, що дає хімічний аналіз. Можна також у сплавах заміщення з високою точністю визначати вміст другого компонента залежно від періоду d від концентрації.
Аналіз напруги.По виміряній різниці міжплощинних відстаней для різних напрямків в кристалах можна, знаючи модуль пружності матеріалу, з високою точністю обчислювати малі напруги в ньому.
Дослідження переважної орієнтації у кристалах.Якщо малі кристаліти в полікристалічному зразку орієнтовані не випадковим чином, то кільця на дебаеграмі матимуть різну інтенсивність. За наявності різко вираженої переважної орієнтації максимуми інтенсивності концентруються в окремих плямах на знімку, який стає схожим на знімок монокристалу. Наприклад, при глибокій холодній прокатці металевий лист набуває текстури - вираженої орієнтації кристалітів. За дебаеграмою можна будувати висновки про характер холодної обробки матеріалу.
Вивчення розмірів зерен.Якщо розмір зерен полікристалу більше 10-3 см, то лінії на дебаеграмі будуть складатися з окремих плям, оскільки в цьому випадку кількість кристалітів недостатньо для того, щоб перекрити весь діапазон значень кутів q. Якщо ж розмір кристалітів менше 10-5 см, то дифракційні лінії стають ширшими. Їх ширина обернено пропорційна розміру кристаллітів. Поширення відбувається з тієї ж причини, через яку при зменшенні числа щілин зменшується роздільна здатність дифракційної решітки. Рентгенівське випромінювання дозволяє визначати розміри зерен у діапазоні 10-7-10-6 см.
Методи монокристалів.Щоб дифракція на кристалі давала інформацію не тільки про просторовий період, але і про орієнтацію кожної сукупності дифрагирующих площин, використовуються методи монокристалу, що обертається. На кристал падає монохроматичний пучок рентгенівського випромінювання. Кристал обертається навколо головної осі, на яку виконуються рівняння Лауе. При цьому змінюється кут q, що входить у формулу Брегга – Вульфа. Дифракційні максимуми розташовуються на місці перетину дифракційних конусів Лауе з циліндричною поверхнею плівки (рис. 9). В результаті виходить дифракційна картина типу, представленої на рис. 10. Однак можливі ускладнення через перекриття різних порядків дифракції в одній точці. Метод може бути значно вдосконалений, якщо одночасно з обертанням кристала переміщати певним чином плівку.

Дослідження рідин та газів.Відомо, що рідини, гази і аморфні тіла не мають правильної кристалічної структури. Але тут між атомами в молекулах існує хімічна зв'язок, завдяки якій відстань з-поміж них залишається майже постійним, хоча самі молекули у просторі орієнтовані випадковим чином. Такі матеріали теж дають дифракційну картину із відносно невеликою кількістю розмитих максимумів. Обробка такої картини сучасними методами дозволяє отримати інформацію про структуру таких некристалічних матеріалів.
СПЕКТРОХІМІЧНИЙ РЕНТГЕНІВСЬКИЙ АНАЛІЗ
Вже через кілька років після відкриття рентгенівських променів Ч. Баркла (1877-1944) виявив, що при впливі рентгенівського потоку випромінювання високої енергії на речовину виникає вторинне флуоресцентне рентгенівське випромінювання, характеристичне для досліджуваного елемента. Незабаром після цього Г.Мозлі у серії своїх експериментів виміряв довжини хвиль первинного характеристичного рентгенівського випромінювання, отриманого електронним бомбардуванням різних елементів, і вивів співвідношення між довжиною хвилі та атомним номером. Ці експерименти, а також винахід Брегг рентгенівського спектрометра заклали основу для спектрохімічного рентгенівського аналізу. Можливості рентгенівського випромінювання для хімічного аналізу були одразу усвідомлені. Були створені спектрографи з реєстрацією на фотопластинці, в яких зразок, що досліджувався, виконував роль анода рентгенівської трубки. На жаль, така техніка виявилася дуже трудомісткою, а тому застосовувалася лише тоді, коли були застосовні звичайні методи хімічного аналізу. Визначним прикладом новаторських досліджень у галузі аналітичної рентгеноспектроскопії стало відкриття в 1923 р. Хевеші та Д. Багаттям нового елемента - гафнія. Розробка потужних рентгенівських трубок для рентгенографії та чутливих детекторів для радіохімічних вимірювань під час Другої світової війни значною мірою зумовила швидке зростання рентгенівської спектрографії у наступні роки. Цей метод набув широкого поширення завдяки швидкості, зручності, характеру аналізу, що не руйнує, і можливості повної або часткової автоматизації. Він застосовується у завданнях кількісного та якісного аналізу всіх елементів з атомним номером більше 11 (натрій). І хоча рентгенівський спектрохімічний аналіз зазвичай використовується для визначення найважливіших компонентів у зразку (з вмістом 0,1-100%), у деяких випадках він придатний для концентрацій 0,005% і навіть нижче.
Рентгенівський спектрометр.Сучасний рентгенівський спектрометр складається із трьох основних систем (рис. 11): системи збудження, тобто. рентгенівської трубки з анодом з вольфраму або іншого тугоплавкого матеріалу та блоком живлення; системи аналізу, тобто. кристала-аналізатора з двома багатощілинними коліматорами, а також спектрогоніометра для точного юстування; та системи реєстрації з лічильником Гейгера або пропорційним або сцинтиляційним лічильником, а також випрямлячем, підсилювачем, перерахунковими пристроями та самописцем або іншим пристроєм, що реєструє.

Рентгенівський флуоресцентний аналіз.Аналізований зразок розташовується на шляху збуджуючого рентгенівського випромінювання. Досліджувана область зразка зазвичай виділяється маскою з отвором потрібного діаметра, а випромінювання проходить через коліматор, що формує паралельний пучок. За кристалом-аналізатором щілинний коліматор виділяє дифраговане випромінювання для детектора. Зазвичай максимальний кут q обмежується значеннями 80-85°, так що дифрагувати на кристалі-аналізаторі може тільки рентгенівське випромінювання, довжина хвилі l якого пов'язана з міжплощинною відстанню d нерівністю l Рентгенівський мікроаналіз.Описаний спектрометр з плоским кристалом-аналізатором може бути пристосований для мікроаналізу. Це досягається звуженням первинного пучка рентгенівського випромінювання, або вторинного пучка, що випускається зразком. Однак зменшення ефективного розміру зразка або апертури випромінювання призводить до зменшення інтенсивності дифрагованого випромінювання, що реєструється. Поліпшення цього методу може бути досягнуто застосуванням спектрометра з вигнутим кристалом, що дозволяє реєструвати конус випромінювання, що розходиться, а не тільки випромінювання, паралельне осі коліматора. За допомогою такого спектрометра можна ідентифікувати частинки розміром менше ніж 25 мкм. Ще більше зменшення розміру зразка, що аналізується, досягається в електронно-зондовому рентгенівському мікроаналізаторі, винайденому Р. Кастеном. Тут гостросфокусованим електронним променем порушується характеристичне рентгенівське випромінювання зразка, яке потім аналізується спектрометром із вигнутим кристалом. За допомогою такого приладу вдається виявляти кількість речовини близько 10-14 г у зразку діаметром 1 мкм. Були також розроблені установки з електроннопроменевим скануванням зразка, за допомогою яких можна отримати двовимірну картину розподілу за зразком того елемента, на випромінювання якого характерний спектрометр.
МЕДИЧНА РЕНТГЕНОДІАГНОСТИКА
Розвиток техніки рентгенівських досліджень дозволив значно скоротити час експозиції та покращити якість зображень, що дозволяють вивчати навіть м'які тканини.
Флюорографія.Цей метод діагностики полягає у фотографуванні тіньового зображення з екрана, що просвічує. Пацієнт знаходиться між джерелом рентгенівського випромінювання та плоским екраном з люмінофора (зазвичай іодиду цезію), який під дією рентгенівського випромінювання світиться. Біологічні тканини того чи іншого ступеня густини створюють тіні рентгенівського випромінювання, що мають різний ступінь інтенсивності. Лікар-рентгенолог досліджує тіньове зображення на люмінесцентному екрані та ставить діагноз. У минулому рентгенолог, аналізуючи зображення, покладався на зір. Зараз є різноманітні системи, що підсилюють зображення, що виводять його на екран або записують дані в пам'яті комп'ютера.
Рентгенографія.Запис рентгенівського зображення безпосередньо на фотоплівці називається рентгенографією. У цьому випадку досліджуваний орган знаходиться між джерелом рентгенівського випромінювання і фотоплівкою, яка фіксує інформацію про стан органу в даний момент часу. Повторна рентгенографія дає можливість будувати висновки про його подальшої еволюції. Рентгенографія дозволяє дуже точно дослідити цілісність кісткових тканин, які складаються в основному з кальцію та непрозорі для рентгенівського випромінювання, а також розриви м'язових тканин. З її допомогою краще, ніж стетоскопом чи прослуховуванням, аналізується стан легень при запаленні, туберкульозі чи наявності рідини. За допомогою рентгенографії визначаються розмір і форма серця, а також динаміка його змін у пацієнтів, які страждають на серцеві захворювання.
Контрастні речовини.Прозорі для рентгенівського випромінювання частини тіла та порожнини окремих органів стають видимими, якщо їх заповнити контрастною речовиною, нешкідливою для організму, але що дозволяє візуалізувати форму внутрішніх органів та перевірити їх функціонування. Контрастні речовини пацієнт або приймає внутрішньо (як, наприклад, барієві солі при дослідженні шлунково-кишкового тракту), або вони вводяться внутрішньовенно (як, наприклад, йодовмісні розчини при дослідженні нирок і сечовивідних шляхів). Останніми роками, проте, ці методи витісняються методами діагностики, заснованими на застосуванні радіоактивних атомів та ультразвуку.
Комп'ютерна томографія.У 1970-х роках розвинуто новий метод рентгенівської діагностики, заснований на повній зйомці тіла або його частин. Зображення тонких шарів ("зрізів") обробляються комп'ютером, і остаточне зображення виводиться екран монітора. Такий метод називається комп'ютерною рентгенівською томографією. Він широко застосовується у сучасній медицині для діагностики інфільтратів, пухлин та інших порушень мозку, а також для діагностики захворювань м'яких тканин усередині тіла. Ця методика не вимагає введення сторонніх контрастних речовин і тому є швидкою та ефективнішою, ніж традиційні методики.
БІОЛОГІЧНА ДІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Шкідлива біологічна дія рентгенівського випромінювання виявилося невдовзі після відкриття Рентгеном. Виявилося, що нове випромінювання може викликати щось на кшталт сильного сонячного опіку (еритему), що супроводжується глибшим і стійким ушкодженням шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходили в рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Траплялися і смерті. Було встановлено, що ураження шкіри можна уникнути, зменшивши час та дозу опромінення, застосовуючи екранування (наприклад, свинець) та засоби дистанційного керування. Але поступово виявилися й інші, більш довготривалі наслідки рентгенівського опромінення, які потім підтверджені і вивчені на піддослідних тварин. До ефектів, зумовлених дією рентгенівського випромінювання, а також інших іонізуючих випромінювань (таких як гамма-випромінювання, що випускається радіоактивними матеріалами) відносяться: 1) тимчасові зміни у складі крові після відносно невеликого надмірного опромінення; 2) незворотні зміни у складі крові (гемолітична анемія) після тривалого надмірного опромінення; 3) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію); 4) більш швидке старіння та рання смерть; 5) виникнення катаракт. До того ж, біологічні експерименти на мишах, кроликах і мушках (дрозофілах) показали, що навіть малі дози систематичного опромінення великих популяцій внаслідок збільшення темпу мутації призводять до шкідливих генетичних ефектів. Більшість генетиків визнає застосування цих даних і до людського організму. Що ж до біологічного впливу рентгенівського випромінювання на людський організм, воно визначається рівнем дози опромінення, і навіть тим, який саме орган тіла піддавався опромінення. Так, наприклад, захворювання крові викликаються опроміненням кровотворних органів, головним чином кісткового мозку, а генетичні наслідки - опроміненням статевих органів, які можуть призвести також і до стерильності. Накопичення знань про вплив рентгенівського випромінювання на організм людини призвело до розробки національних та міжнародних стандартів на допустимі дози опромінення, опублікованих у різних довідкових виданнях. Крім рентгенівського випромінювання, яке цілеспрямовано використовується людиною, є і так зване розсіяне, побічне випромінювання, що виникає з різних причин, наприклад внаслідок розсіювання через недосконалість свинцевого захисного екрану, який це випромінювання повністю не поглинає. Крім того, багато електричних приладів, не призначені для отримання рентгенівського випромінювання, генерують його як побічний продукт. До таких приладів відносяться електронні мікроскопи, високовольтні лампи випрямлення (кенотрони), а також кінескопи застарілих кольорових телевізорів. Виробництво сучасних кольорових кінескопів у багатьох країнах зараз перебуває під урядовим контролем.
НЕБЕЗПЕЧНІ ФАКТОРИ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Види та ступінь небезпеки рентгенівського опромінення для людей залежать від контингенту осіб, схильних до опромінення.
Професіонали, які працюють із рентгенівською апаратурою.Ця категорія охоплює лікарів-рентгенологів, стоматологів, а також науково-технічних працівників та персонал, який обслуговує та використовує рентгенівську апаратуру. Вживаються ефективні заходи щодо зниження рівня радіації, з яким їм доводиться мати справу.
Пацієнти.Суворих критеріїв тут не існує, і безпечний рівень опромінення, який отримують пацієнти під час лікування, визначається лікарями. Лікарям не рекомендується без необхідності піддавати пацієнтам рентгенівське обстеження. Особливу обережність слід виявляти під час обстеження вагітних жінок та дітей. І тут вживаються спеціальні заходи.
Методи контролю.Тут маються на увазі три аспекти:
1) наявність адекватного обладнання; 2) контроль за дотриманням правил техніки безпеки; 3) правильне використання обладнання. При рентгенівському обстеженні впливу опромінення має піддаватися лише потрібна ділянка, чи це стоматологічні обстеження чи обстеження легень. Зауважимо, що відразу після вимкнення рентгенівського апарату зникає як первинне, так і вторинне випромінювання; відсутня також і якесь залишкове випромінювання, про що не завжди знають навіть ті, хто по своїй роботі з ним безпосередньо пов'язаний.
Див. також
АТОМА БУДОВА;

Рентгенівські промені були виявлені випадково 1895 року знаменитим німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Він вивчав катодні промені в газорозрядній трубці низького тиску при високій напрузі між її електродами. Незважаючи на те, що трубка знаходилася в чорній скриньці, Рентген звернув увагу, що флуоресцентний екран, що випадково був поруч, щоразу світився, коли діяла трубка. Трубка виявилася джерелом випромінювання, яке могло проникати через папір, дерево, скло і навіть пластинку алюмінію завтовшки півтора сантиметра.

Рентген визначив, що газорозрядна трубка є джерелом нового виду невидимого випромінювання, що має велику проникаючу здатність. Вчений не міг визначити, чи це випромінювання було потоком частинок або хвиль, і він вирішив дати йому назву X-промені. Надалі їх назвали рентгенівськими променями.

Тепер відомо, що X-промені - вид електромагнітного випромінювання, що має меншу довжину хвилі, ніж ультрафіолетові електромагнітні хвилі. Довжина хвилі X-променів коливається від 70 нмдо 10 -5 нм. Чим коротша довжина хвилі X-променів, тим більша енергія їх фотонів і більша здатність, що проникає. X-промені з порівняно великою довжиною хвилі (більше 10 нм), називаються м'якими. Довжина хвилі 1 - 10 нмхарактеризує жорсткі X-промені. Вони мають величезну проникаючу здатність.

Отримання рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені виникають, коли швидкі електрони або катодні промені зіштовхуються зі стінками або анодом газорозрядної трубки низького тиску. Сучасна рентгенівська трубка є вакуумізованим скляним балоном з розташованими в ньому катодом і анодом. Різниця потенціалів між катодом і анодом (антикатодом) досягає декількох сотень кіловольт. Катод є вольфрамовою ниткою, що підігрівається електричним струмом. Це призводить до випромінювання катодом електронів в результаті термоелектронної емісії. Електрони прискорюються електричним полем у рентгенівській трубці. Оскільки в трубці дуже невелика кількість молекул газу, то електрони на шляху до анода практично не втрачають своєї енергії. Вони досягають анода із дуже великою швидкістю.

Рентгенівські промені виникають завжди, коли електрони, що рухаються з високою швидкістю, гальмуються матеріалом анода. Більшість енергії електронів розсіюється як тепла. Тому аноді необхідно штучно охолоджувати. Анод у рентгенівській трубці повинен бути виготовлений з металу, що має високу температуру плавлення, наприклад, з вольфраму.

Частина енергії, що не розсіює у формі тепла, перетворюється на енергію електромагнітних хвиль (рентгенівські промені). Таким чином, рентгенівські промені є результатом бомбардування електронами речовини аноду. Є два типи рентгенівського випромінювання: гальмівне та характеристичне.

Гальмівне рентгенівське випромінювання

Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що рухаються з великою швидкістю, електричними полями атомів анода. Умови гальмування окремих електронів не однакові. В результаті в енергію рентгенівського випромінювання переходять різні частини їхньої кінетичної енергії.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від природи речовини анода. Як відомо, енергія фотонів рентгенівських променів визначає їх частоту та довжину хвилі. Тому гальмівне рентгенівське випромінювання перестав бути монохроматичним. Воно характеризується різноманітністю довжин хвиль, яка може бути представлена суцільним (безперервним) спектром.

Рентгенівські промені не можуть мати енергію більшу, ніж кінетична енергія електронів, що їх утворюють. Найменша довжина хвилі рентгенівського випромінювання відповідає максимальної кінетичної енергії електронів, що гальмуються. Чим більша різниця потенціалів у рентгенівській трубці, тим менші довжини хвилі рентгенівського випромінювання можна отримати.

Характеристичне рентгенівське випромінювання

Характеристичне рентгенівське випромінювання має не суцільне, а лінійний спектр. Цей тип випромінювання виникає, коли швидкий електрон, досягаючи анода, проникає у внутрішні орбіталі атомів і вибиває одне із їхніх електронів. В результаті з'являється вільне місце, яке може бути заповнене іншим електроном, що спускається з однієї з верхніх атомних орбіталей. Такий перехід електрона з більш високого на нижчий енергетичний рівень викликає рентгенівське випромінювання певної довжини дискретної хвилі. Тому характеристичне рентгенівське випромінювання має лінійний спектр. Частота ліній характеристичного випромінювання залежить від структури електронних орбіталей атомів анода.

Лінії спектра характеристичного випромінювання різних хімічних елементів мають однаковий вигляд, оскільки структура їх внутрішніх електронних орбітальних ідентична. Але довжина їхньої хвилі і частота, завдяки енергетичним відмінностям між внутрішніми орбіталями важких і легких атомів.

Частота ліній спектру характеристичного рентгенівського випромінювання змінюється у відповідність до атомного номера металу і визначається рівнянням Мозлі: v 1/2 = A(Z-B), де Z- Атомний номер хімічного елемента, Aі B- Константи.

Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Для первинної взаємодії між рентгенівським випромінюванням та речовиною характерно три механізми:

1. Когерентне розсіювання. Ця форма взаємодії відбувається, коли фотони рентгенівських променів мають меншу енергію, ніж енергія зв'язку електронів із ядром атома. У такому разі енергія фотона виявляється недостатньою для звільнення електронів з атомів речовини. Фотон не поглинається атомом, але змінює напрямок поширення. У цьому довжина хвилі рентгенівського випромінювання залишається незмінною.

2. Фотоелектричний ефект (фотоефект). Коли фотон рентгенівського випромінювання досягає атома речовини, він може вибити один із електронів. Це відбувається у разі, якщо енергія фотона перевищує енергію зв'язку електрона з ядром. При цьому фотон поглинається, а електрон вивільняється з атома. Якщо фотон несе більшу енергію, ніж необхідно для вивільнення електрона, він передасть енергію, що залишилася, звільненому електрону у формі кінетичної енергії. Цей феномен, званий фотоелектричним ефектом, відбувається при поглинанні відносно рентгенівського низькоенергетичного випромінювання.

Атом, який втрачає один із своїх електронів, стає позитивним іоном. Тривалість існування вільних електронів дуже коротка. Вони поглинаються нейтральними атомами, які при цьому перетворюються на негативні іони. Результатом фотоелектричного ефекту є інтенсивна іонізація речовини.

Якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання менше, ніж енергія іонізації атомів, атоми переходять у збуджений стан, але не іонізуються.

3. Некогерентне розсіювання (ефект Комптону). Цей ефект виявлено американським фізиком Комптоном. Він відбувається, якщо речовина поглинає рентгенівське проміння малої довжини хвилі. Енергія фотонів таких рентгенівських променів завжди більша, ніж енергія іонізації атомів речовини. Ефект Комптон є результатом взаємодії високоенергетичного фотона рентгенівських променів з одним з електронів зовнішньої оболонки атома, який має порівняно слабкий зв'язок з атомним ядром.

Високоенергетичний фотон передає електрону деяку частину своєї енергії. Збуджений електрон вивільняється з атома. Решта енергії початкового фотона, що залишилася, випромінюється у вигляді фотона рентгенівського випромінювання більшої довжини хвилі під деяким кутом до напрямку руху первинного фотона. Вторинний фотон може іонізувати інший атом і т.д. Ці зміни напряму та довжини хвилі рентгенівських променів відомі як ефект Комптону.

Деякі ефекти взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Як було згадано вище, рентгенівські промені здатні збуджувати атоми та молекули речовини. Це може спричинити флюоресценцію певних речовин (наприклад, сульфату цинку). Якщо паралельний пучок рентгенівських променів направити на непрозорі об'єкти, можна спостерігати як промені пройдуть крізь об'єкт, поставивши екран, покритий флюоресцирующим речовиною.

Флуоресцентний екран можна замінити на фотографічну плівку. Рентгенівські промені надають на фотографічну емульсію таку ж дію, як і світло. Обидва методи використовуються у практичній медицині.

Іншим важливим ефектом рентгенівського випромінювання є їхня іонізуюча здатність. Це залежить від їхньої довжини хвилі та енергії. Цей ефект забезпечує метод вимірювання інтенсивності рентгенівського випромінювання. Коли рентгенівські промені проходять через іонізаційну камеру виникає електричний струм, величина якого пропорційна інтенсивності рентгенівського випромінювання.

Поглинання рентгенівського випромінювання речовиною

При проходженні рентгенівських променів через речовину їх енергія зменшується через поглинання та розсіювання. Послаблення інтенсивності паралельного пучка рентгенівських променів, що проходять через речовину, визначається законом Бугера: I = I0·e -μd, де I 0- Початкова інтенсивність рентгенівського випромінювання; I- Інтенсивність рентгенівських променів, що пройшли через шар речовини, d -товщина поглинаючого шару , μ – лінійний коефіцієнт ослаблення. Він дорівнює сумі двох величин: t- лінійного коефіцієнта поглинання та σ - Лінійного коефіцієнта розсіювання: μ = τ+ σ

В експериментах виявлено, що лінійний коефіцієнт поглинання залежить від атомного номера речовини та довжини хвилі рентгенівських променів:

τ = kρZ 3 λ 3, де k- Коефіцієнт прямої пропорційності, ρ - Щільність речовини, Z- Атомний номер елемента, λ - Довжина хвилі рентгенівських променів.

Залежність Z дуже важлива з практичної точки зору. Наприклад, коефіцієнт поглинання кісток, що складаються з фосфату кальцію, майже в 150 разів перевищує коефіцієнт поглинання м'яких тканин ( Z=20 для кальцію та Z=15 для фосфору). При проходженні рентгенівських променів через тіло людини кістки чітко виділяються на тлі м'язів, сполучної тканини і т.п.

Відомо, що органи травлення мають таку ж величину коефіцієнта поглинання, як і інші м'які тканини. Але тінь стравоходу, шлунка і кишечника можна розрізнити, якщо пацієнт прийме внутрішньо контрастну речовину - сірчанокислий барій ( Z= 56 для барію). Сірчанокислий барій дуже непрозорий для рентгенівських променів і часто використовується для рентгенологічного обстеження шлунково-кишкового тракту. Певні непрозорі суміші вводять у кров'яне русло у тому, щоб досліджувати стан кровоносних судин, нирок тощо. Як контрастну речовину у цьому випадку використовують йод, атомний номер якого становить 53.

Залежність поглинання рентгенівських променів від Zвикористовують також для захисту від можливої ​​шкідливої ​​дії рентгенівського випромінювання. Для цієї мети застосовують свинець, величина Zдля якого дорівнює 82.

Застосування рентгенівського випромінювання у медицині

Причиною застосування рентгенівського випромінювання в діагностиці послужила їхня висока проникаюча здатність, одне з основних властивостей рентгенівського випромінювання. Спочатку після відкриття, рентгенівське випромінювання використовувалося здебільшого, для дослідження переломів кісток і визначення розташування сторонніх тіл (наприклад, куль) в тілі людини. Нині застосовують кілька методів діагностики з допомогою рентгенівських променів (рентгенодіагностика).

Рентгеноскопія . Рентгенівський прилад складається з джерела рентгенівських променів (рентгенівської трубки) та флуоресцентного екрану. Після проходження рентгенівських променів через тіло пацієнта лікар спостерігає його тіньове зображення. Між екраном та очима лікаря має бути встановлене свинцеве вікно для того, щоб захистити лікаря від шкідливої ​​дії рентгенівських променів. Цей метод дозволяє вивчити функціональний стан деяких органів. Наприклад, лікар безпосередньо може спостерігати рухи легень, проходження контрастної речовини шлунково-кишковим трактом. Недоліки цього - недостатньо контрастні зображення і порівняно великі дози випромінювання, одержувані пацієнтом під час процедури.

Флюорографія . Цей метод полягає у отриманні фотографії із зображенням частини тіла пацієнта. Використовують зазвичай для попереднього дослідження стану внутрішніх органів пацієнтів за допомогою малих доз рентгенівського випромінювання.

Рентгенографія. (Радіографія рентгенівських променів). Це метод дослідження за допомогою рентгенівських променів, під час якого зображення записується на фотографічну плівку. Фотографії робляться зазвичай у двох перпендикулярних площинах. Цей метод має деякі переваги. Рентгенівські фотографії містять більше деталей, ніж зображення на флуоресцентному екрані, тому вони є більш інформативними. Вони можуть бути збережені для подальшого аналізу. Загальна доза випромінювання менша, ніж застосована в рентгеноскопії.

Комп'ютерна рентгенівська томографія . Оснащений обчислювальної техніки осьовий томографічний сканер є найсучаснішим апаратом рентгенодіагностики, який дозволяє отримати чітке зображення будь-якої частини людського тіла, включаючи м'які тканини органів.

Перше покоління комп'ютерних томографів (КТ) включає спеціальну рентгенівську трубку, що прикріплена до циліндричної рами. На пацієнта спрямовують тонкий пучок рентгенівських променів. Два детектори рентгенівських променів прикріплені до протилежної сторони рами. Пацієнт знаходиться в центрі рами, яка може обертатися на 180 0 довкола його тіла.

Рентгенівський промінь проходить через нерухомий об'єкт. Детектори одержують і записують показники поглинання різних тканин. Записи роблять 160 разів, поки рентгенівська трубка переміщається лінійно вздовж сканованої площини. Потім рама повертається на 10 і процедура повторюється. Запис триває, доки рама не повернеться на 180 0 . Кожен детектор записує 28 800 кадрів (180x160) протягом дослідження. Інформація обробляється комп'ютером і за допомогою спеціальної комп'ютерної програми формується зображення вибраного шару.

Друге покоління КТ використовує кілька пучків рентгенівських променів і до 30 детекторів. Це дозволяє прискорити процес дослідження до 18 секунд.

У третьому поколінні КТ використовується новий принцип. Широкий пучок рентгенівських променів у формі віяла перекриває досліджуваний об'єкт, і рентгенівське випромінювання, що пройшло крізь тіло, записується кількома сотнями детекторів. Час, необхідне дослідження, скорочується до 5-6 секунд.

КТ має безліч переваг порівняно з раннішими методами рентгенодіагностики. Вона характеризується високою роздільною здатністю, яка дає можливість розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КТ дозволяє зменшити дозу рентгенівського випромінювання, одержуваного у процесі діагностики пацієнтами.