Tính chất cơ bản của tia X

1. Khả năng xuyên thấu và ion hóa lớn.

2. Không bị lệch hướng trong điện trường và từ trường.

3. Chúng có tác dụng quang hóa.

4. Gây ra sự phát sáng của các chất.

5. Phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ như trong bức xạ nhìn thấy.

6. Có tác dụng sinh học đối với tế bào sống.

1. Tương tác với vật chất

Bước sóng của tia X có thể so sánh với kích thước của các nguyên tử, vì vậy không có vật liệu nào có thể được sử dụng để chế tạo thấu kính tia X. Ngoài ra, khi tia X chiếu vuông góc với bề mặt, chúng gần như không bị phản xạ. Mặc dù vậy, trong quang học tia X, người ta đã tìm ra các phương pháp để xây dựng các phần tử quang học cho tia X. Đặc biệt, hóa ra kim cương phản chiếu chúng rất tốt.

Tia X có thể xuyên qua vật chất và các chất khác nhau hấp thụ chúng theo cách khác nhau. Sự hấp thụ tia X là tính chất quan trọng nhất của chúng trong chụp ảnh tia X. Cường độ tia X giảm theo cấp số nhân phụ thuộc vào quãng đường truyền đi trong lớp hấp thụ (I = I0e-kd, với d là bề dày lớp, hệ số k tỷ lệ với Z³λ³, Z là số hiệu nguyên tử của nguyên tố, λ là bước sóng).

Sự hấp thụ xảy ra do hiện tượng quang hấp thụ (hiệu ứng quang điện) và tán xạ Compton:

Hấp thụ quang được hiểu là quá trình bật một electron ra khỏi vỏ nguyên tử bởi một photon, đòi hỏi năng lượng của photon phải lớn hơn một giá trị tối thiểu nhất định. Nếu chúng ta coi xác suất của hành động hấp thụ phụ thuộc vào năng lượng của photon, thì khi đạt đến một năng lượng nhất định, nó (xác suất) tăng mạnh đến giá trị cực đại. Đối với năng lượng cao hơn, xác suất liên tục giảm. Vì sự phụ thuộc này, người ta nói rằng có một giới hạn hấp thụ. Vị trí của electron bị đánh bật trong quá trình hấp thụ bị chiếm bởi một electron khác, trong khi bức xạ có năng lượng photon thấp hơn được phát ra, cái gọi là. quá trình huỳnh quang.

Một photon tia X có thể tương tác không chỉ với các electron liên kết mà còn với các electron tự do và liên kết yếu. Có sự tán xạ của các photon trên các electron - cái gọi là. tán xạ compton. Tùy thuộc vào góc tán xạ, bước sóng của photon tăng lên một lượng nhất định và theo đó, năng lượng giảm đi. Tán xạ compton, so với hấp thụ quang, trở nên chiếm ưu thế ở năng lượng photon cao hơn.

Ngoài các quá trình này, còn có một khả năng hấp thụ cơ bản hơn - do sự xuất hiện của các cặp electron-positron. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi năng lượng lớn hơn 1,022 MeV, nằm ngoài ranh giới phát xạ tia X ở trên (<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.

[chỉnh sửa]

2. Tác động sinh học

Tia X có tính ion hóa. Nó ảnh hưởng đến các mô của sinh vật sống và có thể gây ra bệnh phóng xạ, bỏng phóng xạ và các khối u ác tính. Vì lý do này, các biện pháp bảo vệ phải được thực hiện khi làm việc với tia X. Người ta tin rằng thiệt hại tỷ lệ thuận với liều bức xạ hấp thụ. Bức xạ tia X là một yếu tố gây đột biến.

[chỉnh sửa]

3. Đăng ký

Hiệu ứng phát quang. Tia X có thể làm cho một số chất phát sáng (phát huỳnh quang). Hiệu ứng này được sử dụng trong chẩn đoán y tế trong quá trình soi huỳnh quang (quan sát hình ảnh trên màn hình huỳnh quang) và chụp ảnh tia X (chụp X quang). Phim ảnh y tế thường được sử dụng kết hợp với màn hình tăng cường, bao gồm các chất phát quang tia X, phát sáng dưới tác động của tia X và chiếu sáng nhũ tương ảnh nhạy sáng. Phương pháp thu được hình ảnh có kích thước thật được gọi là chụp X quang. Với kỹ thuật chụp huỳnh quang, hình ảnh thu được ở tỷ lệ thu nhỏ. Chất phát quang (chất nhấp nháy) có thể được kết nối quang học với thiết bị dò ánh sáng điện tử (ống nhân quang, điốt quang, v.v.), thiết bị tạo ra được gọi là thiết bị dò nhấp nháy. Nó cho phép bạn đăng ký các photon riêng lẻ và đo năng lượng của chúng, vì năng lượng của đèn flash nhấp nháy tỷ lệ thuận với năng lượng của một photon bị hấp thụ.

hiệu ứng chụp ảnh. Tia X, cũng như ánh sáng thông thường, có thể chiếu sáng trực tiếp nhũ ảnh. Tuy nhiên, nếu không có lớp huỳnh quang, điều này đòi hỏi mức phơi sáng gấp 30-100 lần (tức là liều lượng). Phương pháp này (được gọi là chụp X quang không màn hình) có ưu điểm là hình ảnh sắc nét hơn.

Trong máy dò bán dẫn, tia X tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống trong lớp tiếp giáp p-n của điốt được nối theo hướng chặn. Trong trường hợp này, một dòng điện nhỏ chạy qua, biên độ của nó tỷ lệ thuận với năng lượng và cường độ của bức xạ tia X tới. Ở chế độ xung, có thể đăng ký các photon tia X riêng lẻ và đo năng lượng của chúng.

Các photon tia X riêng lẻ cũng có thể được đăng ký bằng cách sử dụng các máy dò bức xạ ion hóa chứa đầy khí (máy đếm Geiger, buồng tỷ lệ, v.v.).

Ứng dụng

Với sự trợ giúp của tia X, có thể "khai sáng" cơ thể con người, nhờ đó có thể thu được hình ảnh của xương và các cơ quan nội tạng trong các thiết bị hiện đại (xem thêm X-quang) . Điều này sử dụng thực tế là nguyên tố canxi (Z=20) chứa chủ yếu trong xương có số nguyên tử lớn hơn nhiều so với số nguyên tử của các nguyên tố tạo nên mô mềm, cụ thể là hydro (Z=1), carbon (Z=6 ), nitơ (Z=7), oxi (Z=8). Ngoài các thiết bị thông thường cung cấp hình chiếu hai chiều của đối tượng đang nghiên cứu, còn có các máy chụp cắt lớp vi tính cho phép bạn có được hình ảnh ba chiều của các cơ quan nội tạng.

Việc phát hiện các khuyết tật trong sản phẩm (đường ray, mối hàn, v.v.) bằng tia X được gọi là phát hiện khuyết tật bằng tia X.

Trong khoa học vật liệu, tinh thể học, hóa học và hóa sinh, tia X được sử dụng để làm sáng tỏ cấu trúc của các chất ở cấp độ nguyên tử bằng cách sử dụng tán xạ nhiễu xạ tia X (phân tích nhiễu xạ tia X). Một ví dụ nổi tiếng là việc xác định cấu trúc của DNA.

Ngoài ra, tia X có thể được sử dụng để xác định thành phần hóa học của một chất. Trong một vi đầu dò chùm điện tử (hoặc trong kính hiển vi điện tử), chất được phân tích được chiếu xạ bằng các điện tử, trong khi các nguyên tử bị ion hóa và phát ra bức xạ tia X đặc trưng. Tia X có thể được sử dụng thay cho điện tử. Phương pháp phân tích này được gọi là phân tích huỳnh quang tia X.

Tại các sân bay, nội soi truyền hình tia X được sử dụng tích cực, cho phép xem nội dung của hành lý xách tay và hành lý để phát hiện trực quan các vật thể nguy hiểm trên màn hình.

Liệu pháp tia X là một phần của liệu pháp bức xạ bao gồm lý thuyết và thực hành về việc sử dụng tia X trong điều trị được tạo ra ở điện áp ống tia X 20-60 kV và tiêu cự da 3-7 cm (ngắn -phạm vi xạ trị) hoặc ở điện áp 180-400 kV và khoảng cách tiêu điểm da 30-150 cm (xạ trị từ xa).

Liệu pháp tia X được thực hiện chủ yếu với các khối u nằm ở bề mặt và với một số bệnh khác, bao gồm cả các bệnh về da (tia X siêu mềm của Bucca).

[chỉnh sửa]

tia X tự nhiên

Trên Trái đất, bức xạ điện từ trong dải tia X được hình thành do sự ion hóa các nguyên tử bởi bức xạ xảy ra trong quá trình phân rã phóng xạ, do hiệu ứng Compton của bức xạ gamma xảy ra trong các phản ứng hạt nhân và cả bức xạ vũ trụ. Sự phân rã phóng xạ cũng dẫn đến sự phát xạ trực tiếp lượng tử tia X nếu nó gây ra sự sắp xếp lại lớp vỏ electron của nguyên tử đang phân rã (ví dụ, trong quá trình bắt giữ electron). Bức xạ tia X xảy ra trên các thiên thể khác không đến được bề mặt Trái đất vì nó bị khí quyển hấp thụ hoàn toàn. Nó đang được khám phá bởi các kính viễn vọng tia X vệ tinh như Chandra và XMM-Newton.

Năm 1895, nhà vật lý người Đức W. Roentgen đã phát hiện ra một loại bức xạ điện từ mới chưa từng được biết đến trước đây, được đặt tên là tia X để vinh danh người phát hiện ra nó. W. Roentgen trở thành tác giả của khám phá của mình ở tuổi 50, giữ chức vụ hiệu trưởng Đại học Würzburg và nổi tiếng là một trong những nhà thí nghiệm giỏi nhất trong thời đại của ông. Một trong những người đầu tiên tìm ra ứng dụng kỹ thuật cho khám phá của Roentgen là American Edison. Ông đã tạo ra một thiết bị trình diễn tiện dụng và vào tháng 5 năm 1896, ông đã tổ chức một cuộc triển lãm X-quang ở New York, nơi du khách có thể nhìn vào bàn tay của chính mình trên màn hình phát sáng. Sau khi người trợ lý của Edison chết vì bỏng nặng do các cuộc trình diễn liên tục, nhà phát minh đã ngừng các thí nghiệm tiếp theo với tia X.

Bức xạ tia X bắt đầu được sử dụng trong y học do khả năng xuyên thấu cao. Ban đầu, tia X được sử dụng để kiểm tra vết nứt xương và xác định vị trí dị vật trong cơ thể con người. Hiện nay, có một số phương pháp dựa trên tia X. Nhưng những phương pháp này có nhược điểm: bức xạ có thể gây tổn thương sâu cho da. Xuất hiện vết loét thường biến thành ung thư. Nhiều trường hợp phải cắt bỏ ngón tay hoặc bàn tay. soi huỳnh quang(đồng nghĩa với độ trong mờ) là một trong những phương pháp kiểm tra tia X chính, bao gồm việc thu được hình ảnh dương phẳng của vật thể đang nghiên cứu trên màn hình mờ (huỳnh quang). Trong quá trình soi huỳnh quang, đối tượng nằm giữa màn hình mờ và ống tia X. Trên các màn hình mờ tia X hiện đại, hình ảnh xuất hiện tại thời điểm bật ống tia X và biến mất ngay sau khi tắt. Nội soi huỳnh quang cho phép nghiên cứu chức năng của cơ quan - nhịp đập của tim, chuyển động hô hấp của xương sườn, phổi, cơ hoành, nhu động của đường tiêu hóa, v.v. Fluoroscopy được sử dụng trong điều trị các bệnh về dạ dày, đường tiêu hóa, tá tràng, các bệnh về gan, túi mật và đường mật. Đồng thời, đầu dò y tế và bộ điều khiển được đưa vào mà không làm tổn thương mô và các hoạt động trong quá trình phẫu thuật được kiểm soát bằng nội soi huỳnh quang và hiển thị trên màn hình.
X quang - phương pháp chẩn đoán bằng tia X với việc đăng ký hình ảnh cố định trên vật liệu cảm quang - đặc biệt. phim ảnh (phim X-quang) hoặc giấy ảnh với quá trình xử lý ảnh tiếp theo; Với chụp X quang kỹ thuật số, hình ảnh được cố định trong bộ nhớ của máy tính. Nó được thực hiện trên các thiết bị chẩn đoán X-quang - cố định, được lắp đặt trong phòng X-quang được trang bị đặc biệt, hoặc di động và di động - tại giường bệnh nhân hoặc trong phòng mổ. Trên phim X quang, các yếu tố cấu trúc của các cơ quan khác nhau được hiển thị rõ ràng hơn nhiều so với trên màn hình huỳnh quang. Chụp X quang được thực hiện để phát hiện và ngăn ngừa các bệnh khác nhau, mục tiêu chính của nó là giúp các bác sĩ thuộc các chuyên khoa khác nhau chẩn đoán chính xác và nhanh chóng. Hình ảnh tia X chỉ ghi lại trạng thái của một cơ quan hoặc mô tại thời điểm tiếp xúc. Tuy nhiên, một lần chụp X quang chỉ ghi lại những thay đổi về mặt giải phẫu tại một thời điểm nhất định, nó đưa ra số liệu thống kê của quá trình; thông qua một loạt ảnh chụp X quang được thực hiện trong các khoảng thời gian nhất định, có thể nghiên cứu động lực học của quá trình, nghĩa là các thay đổi chức năng. chụp cắt lớp. Từ chụp cắt lớp có thể được dịch từ tiếng Hy Lạp là lát ảnh.Điều này có nghĩa là mục đích của chụp cắt lớp là để có được hình ảnh phân lớp về cấu trúc bên trong của đối tượng nghiên cứu. Chụp cắt lớp vi tính được đặc trưng bởi độ phân giải cao, giúp phân biệt những thay đổi tinh tế trong các mô mềm. CT cho phép phát hiện các quá trình bệnh lý như vậy mà các phương pháp khác không thể phát hiện được. Ngoài ra, việc sử dụng CT giúp giảm liều bức xạ tia X mà bệnh nhân nhận được trong quá trình chẩn đoán.
huỳnh quang- một phương pháp chẩn đoán cho phép bạn có được hình ảnh của các cơ quan và mô, được phát triển vào cuối thế kỷ 20, một năm sau khi tia X được phát hiện. Trong các bức ảnh, bạn có thể thấy xơ cứng, xơ hóa, dị vật, khối u, viêm ở mức độ phát triển, sự hiện diện của khí và thâm nhiễm trong các khoang, áp xe, u nang, v.v. Thông thường, chụp X-quang ngực được thực hiện, cho phép phát hiện bệnh lao, khối u ác tính ở phổi hoặc ngực và các bệnh lý khác.
liệu pháp tia X- Đây là một phương pháp hiện đại được thực hiện để điều trị một số bệnh lý về khớp. Các hướng điều trị chính của các bệnh chỉnh hình bằng phương pháp này là: quá trình viêm khớp (viêm khớp, viêm đa khớp); Thoái hóa (viêm xương khớp, thoái hóa khớp, thoái hóa đốt sống). Mục đích của xạ trị là sự ức chế hoạt động quan trọng của các tế bào của các mô bị thay đổi bệnh lý hoặc sự phá hủy hoàn toàn của chúng. Trong các bệnh không phải khối u, liệu pháp tia X nhằm mục đích ức chế phản ứng viêm, ức chế quá trình tăng sinh, giảm nhạy cảm đau và hoạt động bài tiết của các tuyến. Cần lưu ý rằng các tuyến sinh dục, cơ quan tạo máu, bạch cầu và tế bào khối u ác tính nhạy cảm nhất với tia X. Liều bức xạ trong từng trường hợp được xác định riêng lẻ.

Nhờ khám phá ra tia X, Roentgen đã được trao giải Nobel Vật lý đầu tiên vào năm 1901, và Ủy ban Nobel đã nhấn mạnh tầm quan trọng thực tiễn của khám phá của ông.
Như vậy, tia X là bức xạ điện từ không nhìn thấy được, có bước sóng 105 - 102 nm. Tia X có thể xuyên qua một số vật liệu mờ đục đối với ánh sáng khả kiến. Chúng được phát ra trong quá trình giảm tốc của các electron nhanh trong vật chất (phổ liên tục) và trong quá trình chuyển đổi của các electron từ lớp vỏ electron bên ngoài của nguyên tử sang lớp bên trong (phổ tuyến tính). Các nguồn bức xạ tia X là: ống tia X, một số đồng vị phóng xạ, máy gia tốc và bộ tích lũy electron (bức xạ synchrotron). Máy thu - phim, màn hình phát quang, máy dò bức xạ hạt nhân. Tia X được sử dụng trong phân tích nhiễu xạ tia X, y học, phát hiện lỗ hổng, phân tích quang phổ tia X, v.v.

Bức xạ tia X (đồng nghĩa với tia X) có dải bước sóng rộng (từ 8·10 -6 đến 10 -12 cm). Bức xạ tia X xảy ra khi các hạt tích điện, thường là các electron, giảm tốc trong điện trường của các nguyên tử của một chất. Các lượng tử thu được có năng lượng khác nhau và tạo thành một quang phổ liên tục. Năng lượng photon cực đại trong quang phổ như vậy bằng năng lượng của các electron tới. Trong (xem) năng lượng cực đại của lượng tử tia X, được biểu thị bằng kiloelectron-volt, bằng số với độ lớn của điện áp đặt vào ống, được biểu thị bằng kilovolt. Khi đi qua một chất, tia X tương tác với các electron của nguyên tử của nó. Đối với lượng tử tia X có năng lượng lên tới 100 keV, loại tương tác đặc trưng nhất là hiệu ứng quang điện. Kết quả của sự tương tác như vậy, năng lượng lượng tử hoàn toàn được sử dụng để kéo một electron ra khỏi vỏ nguyên tử và truyền động năng cho nó. Với sự gia tăng năng lượng của một lượng tử tia X, xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện giảm và quá trình tán xạ lượng tử trên các electron tự do trở nên chiếm ưu thế - cái gọi là hiệu ứng Compton. Kết quả của sự tương tác như vậy, một electron thứ cấp cũng được hình thành và ngoài ra, một lượng tử bay ra với năng lượng thấp hơn năng lượng của lượng tử sơ cấp. Nếu năng lượng của một lượng tử tia X vượt quá một megaelectron-volt, cái gọi là hiệu ứng ghép đôi có thể xảy ra, trong đó một electron và một positron được hình thành (xem). Do đó, khi đi qua một chất, năng lượng của bức xạ tia X giảm, tức là cường độ của nó giảm. Do các lượng tử năng lượng thấp có nhiều khả năng bị hấp thụ hơn trong trường hợp này nên bức xạ tia X được làm giàu bằng các lượng tử năng lượng cao hơn. Tính chất này của bức xạ tia X được sử dụng để tăng năng lượng trung bình của lượng tử, tức là để tăng độ cứng của nó. Sự gia tăng độ cứng của bức xạ tia X đạt được bằng cách sử dụng các bộ lọc đặc biệt (xem). Bức xạ tia X được sử dụng để chẩn đoán bằng tia X (xem) và (xem). Xem thêm Bức xạ ion hóa.

Bức xạ tia X (đồng nghĩa: tia X, tia X) - lượng tử bức xạ điện từ có bước sóng từ 250 đến 0,025 A (hoặc lượng tử năng lượng từ 5 10 -2 đến 5 10 2 keV). Năm 1895, nó được phát hiện bởi V.K. Roentgen. Vùng phổ của bức xạ điện từ tiếp giáp với tia X, có lượng tử năng lượng vượt quá 500 keV, được gọi là bức xạ gamma (xem); bức xạ, có lượng tử năng lượng dưới 0,05 keV, là bức xạ cực tím (xem).

Do đó, đại diện cho một phần tương đối nhỏ của phổ bức xạ điện từ rộng lớn, bao gồm cả sóng vô tuyến và ánh sáng khả kiến, bức xạ tia X, giống như bất kỳ bức xạ điện từ nào, lan truyền với tốc độ ánh sáng (khoảng 300 nghìn km / s trong chân không). ) và được đặc trưng bởi bước sóng λ (quãng đường mà bức xạ truyền được trong một chu kỳ dao động). Bức xạ tia X còn có một số tính chất sóng khác (khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ), nhưng khó quan sát chúng hơn nhiều so với bức xạ có bước sóng dài hơn: ánh sáng nhìn thấy, sóng vô tuyến.

Phổ tia X: a1 - phổ hãm liên tục ở 310 kV; a - phổ hãm liên tục ở 250 kV, a1 - phổ được lọc bởi 1 mm Cu, a2 - phổ được lọc bởi 2 mm Cu, b - K-series của dòng vonfram.

Để tạo ra tia X, người ta sử dụng các ống tia X (xem), trong đó bức xạ xảy ra khi các electron nhanh tương tác với các nguyên tử của chất cực dương. Có hai loại tia X: hãm và đặc trưng. Bức xạ tia X Bremsstrahlung, có quang phổ liên tục, tương tự như ánh sáng trắng thông thường. Sự phân bố cường độ tùy thuộc vào bước sóng (Hình.) được biểu thị bằng một đường cong có cực đại; về phía sóng dài thì cong nhẹ nhàng, còn về phía sóng ngắn thì dốc xuống và đứt đoạn ở một bước sóng nhất định (λ0), gọi là ranh giới bước sóng ngắn của quang phổ liên tục. Giá trị của λ0 tỉ lệ nghịch với hiệu điện thế trên ống. Bremsstrahlung phát sinh từ sự tương tác của các electron nhanh với hạt nhân nguyên tử. Cường độ hãm tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện cực dương, bình phương điện áp ống và số nguyên tử (Z) của vật liệu cực dương.

Nếu năng lượng của các electron được gia tốc trong ống tia X vượt quá giá trị tới hạn đối với chất cực dương (năng lượng này được xác định bởi điện áp ống Vcr, giá trị tới hạn đối với chất này), thì bức xạ đặc trưng sẽ xảy ra. Quang phổ đặc trưng là vạch, các vạch quang phổ của nó tạo thành một dãy kí hiệu bằng các chữ K, L, M, N.

Sê-ri K có bước sóng ngắn nhất, sê-ri L có bước sóng dài hơn, sê-ri M và N chỉ được quan sát thấy ở các nguyên tố nặng (Vcr của vonfram đối với sê-ri K là 69,3 kv, đối với sê-ri L - 12,1 kv). Bức xạ đặc trưng phát sinh như sau. Các electron nhanh đánh bật các electron nguyên tử ra khỏi lớp vỏ bên trong. Nguyên tử bị kích thích rồi trở về trạng thái cơ bản. Trong trường hợp này, các electron từ lớp vỏ bên ngoài, ít bị ràng buộc hơn sẽ lấp đầy khoảng trống ở lớp vỏ bên trong và các photon của bức xạ đặc trưng có năng lượng bằng hiệu giữa năng lượng của nguyên tử ở trạng thái kích thích và cơ bản được phát ra. Sự khác biệt này (và do đó là năng lượng của photon) có một giá trị nhất định, đặc trưng cho từng nguyên tố. Hiện tượng này làm cơ sở cho phép phân tích quang phổ tia X của các nguyên tố. Hình này cho thấy quang phổ vạch của vonfram trên nền của quang phổ liên tục của bức xạ hãm.

Năng lượng của các electron được gia tốc trong ống tia X được chuyển gần như hoàn toàn thành năng lượng nhiệt (cực dương được đốt nóng mạnh trong trường hợp này), chỉ một phần không đáng kể (khoảng 1% ở điện áp gần 100 kV) được chuyển thành năng lượng hãm .

Việc sử dụng tia X trong y học dựa trên quy luật hấp thụ tia X của vật chất. Sự hấp thụ tia X hoàn toàn không phụ thuộc vào tính chất quang học của vật liệu hấp thụ. Kính chì không màu và trong suốt được sử dụng để bảo vệ nhân viên trong phòng chụp X-quang hấp thụ tia X gần như hoàn toàn. Ngược lại, một tờ giấy không trong suốt với ánh sáng sẽ không làm suy giảm tia X.

Cường độ của chùm tia X đồng nhất (tức là có bước sóng nhất định) khi đi qua một lớp hấp thụ sẽ giảm theo quy luật hàm mũ (e-x), trong đó e là cơ số của logarit tự nhiên (2,718) và số mũ x bằng tích của hệ số suy giảm khối lượng (μ / p) cm 2 /g trên mỗi độ dày chất hấp thụ tính bằng g / cm 2 (ở đây p là mật độ của chất tính bằng g / cm 3). Tia X bị suy giảm bởi cả tán xạ và hấp thụ. Theo đó, hệ số suy giảm khối lượng là tổng của hệ số hấp thụ khối lượng và hệ số tán xạ. Hệ số hấp thụ khối lượng tăng mạnh khi tăng số nguyên tử (Z) của chất hấp thụ (tỷ lệ với Z3 hoặc Z5) và với bước sóng tăng (tỷ lệ với λ3). Sự phụ thuộc vào bước sóng này được quan sát thấy trong các dải hấp thụ, tại các ranh giới mà hệ số thể hiện các bước nhảy.

Hệ số tán xạ khối lượng tăng khi số nguyên tử của chất tăng. Với λ≥0,3Å hệ số tán xạ không phụ thuộc vào bước sóng, với λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Sự giảm hệ số hấp thụ và tán xạ với bước sóng giảm làm tăng khả năng đâm xuyên của tia X. Hệ số hấp thụ khối lượng của xương [sự hấp thụ chủ yếu là do Ca 3(PO 4) 2 ] lớn hơn gần 70 lần so với các mô mềm, nơi mà sự hấp thụ chủ yếu là do nước. Điều này giải thích tại sao bóng của xương nổi rõ trên phim chụp X quang so với nền của các mô mềm.

Sự lan truyền của chùm tia X không đồng nhất qua bất kỳ môi trường nào, cùng với sự giảm cường độ, đi kèm với sự thay đổi thành phần quang phổ, thay đổi chất lượng của bức xạ: phần sóng dài của quang phổ được hấp thụ vào một phạm vi lớn hơn so với phần sóng ngắn, bức xạ trở nên đồng đều hơn. Việc lọc ra phần bước sóng dài của quang phổ giúp cải thiện tỷ lệ giữa liều sâu và liều bề mặt trong quá trình trị liệu bằng tia X đối với các tiêu điểm nằm sâu trong cơ thể con người (xem bộ lọc tia X). Để mô tả chất lượng của chùm tia X không đồng nhất, người ta sử dụng khái niệm "lớp suy giảm một nửa (L)" - một lớp chất làm giảm bức xạ đi một nửa. Độ dày của lớp này phụ thuộc vào điện áp trên ống, độ dày và vật liệu của bộ lọc. Giấy bóng kính (có năng lượng lên tới 12 keV), nhôm (20–100 keV), đồng (60–300 keV), chì và đồng (>300 keV) được sử dụng để đo các lớp suy hao một nửa. Đối với tia X được tạo ra ở điện áp 80-120 kV, 1 mm đồng có khả năng lọc tương đương với 26 mm nhôm, 1 mm chì tương đương với 50,9 mm nhôm.

Sự hấp thụ và tán xạ của tia X là do tính chất hạt của nó; Tia X tương tác với các nguyên tử dưới dạng một dòng hạt (hạt) - photon, mỗi hạt có một năng lượng nhất định (tỷ lệ nghịch với bước sóng của tia X). Dải năng lượng của photon tia X là 0,05-500 keV.

Sự hấp thụ bức xạ tia X là do hiệu ứng quang điện: sự hấp thụ một photon bởi lớp vỏ electron đi kèm với sự bứt ra của một electron. Nguyên tử bị kích thích và trở về trạng thái cơ bản, phát ra bức xạ đặc trưng. Quang điện tử phát ra mang toàn bộ năng lượng của phôtôn (trừ đi năng lượng liên kết của êlectron trong nguyên tử).

Sự tán xạ của bức xạ tia X là do các electron của môi trường tán xạ. Có tán xạ cổ điển (bước sóng của bức xạ không thay đổi, nhưng hướng truyền thay đổi) và tán xạ với sự thay đổi bước sóng - hiệu ứng Compton (bước sóng của bức xạ tán xạ lớn hơn bước sóng tới). Trong trường hợp thứ hai, photon hoạt động giống như một quả bóng đang chuyển động và sự tán xạ của các photon xảy ra, theo cách diễn đạt tượng trưng của Comnton, giống như một trò chơi bi-a với photon và electron: va chạm với một electron, photon truyền một phần năng lượng của nó đến nó và tán xạ, vốn đã có ít năng lượng hơn (tương ứng, bước sóng của bức xạ tán xạ tăng lên), electron bay ra khỏi nguyên tử với năng lượng giật lùi (các electron này được gọi là electron Compton, hay electron giật lùi). Sự hấp thụ năng lượng tia X xảy ra trong quá trình hình thành các electron thứ cấp (Compton và quang điện tử) và truyền năng lượng cho chúng. Năng lượng của tia X được truyền tới một đơn vị khối lượng của một chất xác định liều hấp thụ của tia X. Đơn vị của liều này 1 rad tương ứng với 100 erg/g. Do năng lượng được hấp thụ trong chất của chất hấp thụ, một số quá trình thứ cấp xảy ra quan trọng đối với phép đo liều lượng tia X, vì các phương pháp đo tia X dựa trên chúng. (xem Liều lượng).

Tất cả các chất khí và nhiều chất lỏng, chất bán dẫn và chất điện môi, dưới tác dụng của tia X đều làm tăng tính dẫn điện. Độ dẫn điện được tìm thấy bởi các vật liệu cách điện tốt nhất: parafin, mica, cao su, hổ phách. Sự thay đổi độ dẫn điện là do quá trình ion hóa môi trường, tức là sự phân tách các phân tử trung tính thành các ion dương và âm (sự ion hóa được tạo ra bởi các điện tử thứ cấp). Quá trình ion hóa trong không khí được sử dụng để xác định liều lượng tiếp xúc của bức xạ tia X (liều lượng trong không khí), được đo bằng roentgens (xem Liều lượng bức xạ ion hóa). Với liều 1 r, liều hấp thụ trong không khí là 0,88 rad.

Dưới tác động của tia X, do sự kích thích các phân tử của một chất (và trong quá trình tái hợp của các ion), trong nhiều trường hợp, chất đó phát sáng có thể nhìn thấy được. Ở cường độ cao của bức xạ tia X, người ta quan sát thấy ánh sáng có thể nhìn thấy được của không khí, giấy, parafin, v.v. (ngoại trừ kim loại). Hiệu suất cao nhất của ánh sáng khả kiến ​​được tạo ra bởi các photpho tinh thể như Zn·CdS·Ag-photpho và các loại khác được sử dụng cho màn hình trong soi huỳnh quang.

Dưới tác động của tia X, các quá trình hóa học khác nhau cũng có thể xảy ra trong một chất: sự phân hủy của bạc halogenua (hiệu ứng chụp ảnh được sử dụng trong tia X), sự phân hủy nước và dung dịch hydro peroxide, sự thay đổi trong tính chất của celluloid (làm vẩn đục và giải phóng long não), paraffin (làm vẩn đục và tẩy trắng) .

Kết quả của quá trình chuyển đổi hoàn toàn, tất cả năng lượng tia X được hấp thụ bởi chất trơ về mặt hóa học được chuyển thành nhiệt. Việc đo lượng nhiệt rất nhỏ đòi hỏi các phương pháp có độ nhạy cao, nhưng lại là phương pháp chính để đo tuyệt đối tia X.

Các tác động sinh học thứ cấp do tiếp xúc với tia X là cơ sở của xạ trị y tế (xem). Tia X có lượng tử 6-16 keV (bước sóng hiệu dụng từ 2 đến 5 Å), được hấp thụ gần như hoàn toàn bởi lớp da của mô cơ thể người; chúng được gọi là tia biên, hoặc đôi khi là tia Bucca (xem tia Bucca). Đối với liệu pháp tia X sâu, bức xạ được lọc cứng với lượng tử năng lượng hiệu quả từ 100 đến 300 keV được sử dụng.

Tác dụng sinh học của bức xạ tia X không chỉ được tính đến trong liệu pháp tia X mà còn trong chẩn đoán tia X, cũng như trong tất cả các trường hợp tiếp xúc với tia X khác cần sử dụng biện pháp bảo vệ bức xạ ( thấy).

BỨC XẠ X-quang
bức xạ vô hình có khả năng xuyên qua, mặc dù ở các mức độ khác nhau, tất cả các chất. Đó là bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 10-8 cm, giống như ánh sáng khả kiến, tia X làm đen phim ảnh. Tài sản này có tầm quan trọng lớn đối với y học, công nghiệp và nghiên cứu khoa học. Đi qua đối tượng nghiên cứu và sau đó chiếu vào phim, bức xạ tia X mô tả cấu trúc bên trong của nó trên đó. Do khả năng xuyên thấu của bức xạ tia X là khác nhau đối với các vật liệu khác nhau, nên các phần của vật thể ít trong suốt hơn đối với nó sẽ tạo ra các vùng sáng hơn trong ảnh so với các phần mà bức xạ xuyên qua tốt. Do đó, các mô xương ít trong suốt hơn đối với tia X so với các mô tạo nên da và các cơ quan nội tạng. Do đó, trên X quang, xương sẽ được chỉ định là những vùng sáng hơn và vị trí gãy xương, trong suốt hơn đối với bức xạ, có thể được phát hiện khá dễ dàng. Hình ảnh tia X cũng được sử dụng trong nha khoa để phát hiện sâu răng và áp xe ở chân răng, cũng như trong công nghiệp để phát hiện các vết nứt trên vật đúc, nhựa và cao su. Tia X được sử dụng trong hóa học để phân tích các hợp chất và trong vật lý để nghiên cứu cấu trúc của tinh thể. Chùm tia X đi qua một hợp chất hóa học gây ra bức xạ thứ cấp đặc trưng, ​​phân tích quang phổ cho phép nhà hóa học xác định thành phần của hợp chất. Khi chiếu vào một chất kết tinh, một chùm tia X bị phân tán bởi các nguyên tử của tinh thể, tạo ra các đốm và sọc rõ ràng, đều đặn trên một tấm ảnh, giúp thiết lập cấu trúc bên trong của tinh thể. Việc sử dụng tia X trong điều trị ung thư dựa trên thực tế là nó giết chết các tế bào ung thư. Tuy nhiên, nó cũng có thể có tác dụng không mong muốn đối với các tế bào bình thường. Do đó, phải hết sức thận trọng trong việc sử dụng tia X này. Bức xạ tia X được phát hiện bởi nhà vật lý người Đức W. Roentgen (1845-1923). Tên của ông được bất tử trong một số thuật ngữ vật lý khác liên quan đến bức xạ này: đơn vị quốc tế của liều lượng bức xạ ion hóa được gọi là roentgen; một bức ảnh được chụp bằng máy x-quang được gọi là ảnh chụp bức xạ; Lĩnh vực y học phóng xạ sử dụng tia X để chẩn đoán và điều trị bệnh được gọi là X quang. Roentgen phát hiện ra bức xạ vào năm 1895 khi đang là giáo sư vật lý tại Đại học Würzburg. Trong khi tiến hành các thí nghiệm với tia âm cực (electron chảy trong ống phóng điện), ông nhận thấy rằng một màn hình nằm gần ống chân không, được phủ bằng bari cyanoplatinite kết tinh, phát sáng rực rỡ, mặc dù bản thân ống được phủ bằng bìa cứng màu đen. Roentgen khẳng định thêm rằng khả năng xuyên thấu của các tia chưa biết mà ông đã khám phá ra, cái mà ông gọi là tia X, phụ thuộc vào thành phần của vật liệu hấp thụ. Ông cũng tạo ra hình ảnh xương bàn tay của chính mình bằng cách đặt nó giữa một ống phóng tia âm cực và một màn hình phủ bari cyanoplatinite. Phát hiện của Roentgen được theo sau bởi các thí nghiệm của các nhà nghiên cứu khác, những người đã khám phá ra nhiều tính chất và khả năng mới cho việc sử dụng bức xạ này. Một đóng góp to lớn là của M. Laue, W. Friedrich và P. Knipping, người đã chứng minh vào năm 1912 sự nhiễu xạ của tia X khi nó đi qua một tinh thể; W. Coolidge, người vào năm 1913 đã phát minh ra ống tia X chân không cao với cực âm được nung nóng; G. Moseley, người đã thiết lập mối quan hệ giữa bước sóng của bức xạ và số hiệu nguyên tử của một nguyên tố vào năm 1913; G. và L. Braggi, người đã nhận giải thưởng Nobel năm 1915 vì đã phát triển các nguyên tắc cơ bản của phân tích nhiễu xạ tia X.
LẤY BỨC XẠ X-quang
Bức xạ tia X xảy ra khi các electron chuyển động ở tốc độ cao tương tác với vật chất. Khi các electron va chạm với các nguyên tử của bất kỳ chất nào, chúng sẽ nhanh chóng mất động năng. Trong trường hợp này, phần lớn nó được chuyển thành nhiệt và một phần nhỏ, thường dưới 1%, được chuyển thành năng lượng tia X. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng lượng tử - hạt gọi là photon có năng lượng nhưng có khối lượng nghỉ bằng không. Các photon tia X khác nhau về năng lượng, tỷ lệ nghịch với bước sóng của chúng. Với phương pháp thu tia X thông thường, người ta thu được một dải bước sóng rộng, được gọi là phổ tia X. Phổ chứa các thành phần rõ rệt, như thể hiện trong Hình. 1. Một "dải liên tục" rộng gọi là quang phổ liên tục hay bức xạ trắng. Các đỉnh nhọn chồng lên nó được gọi là các vạch phát xạ tia X đặc trưng. Mặc dù toàn bộ quang phổ là kết quả của sự va chạm của các electron với vật chất, nhưng cơ chế xuất hiện phần rộng và các vạch của nó là khác nhau. Một chất bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử, mỗi nguyên tử có một hạt nhân được bao quanh bởi lớp vỏ electron và mỗi electron trong lớp vỏ nguyên tử của một nguyên tố nhất định chiếm một mức năng lượng riêng biệt nhất định. Thông thường các lớp vỏ này, hoặc các mức năng lượng, được ký hiệu bằng các ký hiệu K, L, M, v.v., bắt đầu từ lớp vỏ gần hạt nhân nhất. Khi một electron tới có năng lượng đủ cao va chạm với một trong các electron liên kết với nguyên tử, nó sẽ đánh bật electron đó ra khỏi lớp vỏ của nó. Không gian trống được chiếm bởi một electron khác từ lớp vỏ, tương ứng với năng lượng cao hơn. Cái sau này giải phóng năng lượng dư thừa bằng cách phát ra một photon tia X. Do các electron ở lớp vỏ có các giá trị năng lượng riêng biệt nên các photon tia X thu được cũng có phổ riêng biệt. Điều này tương ứng với các đỉnh sắc nét đối với các bước sóng nhất định, các giá trị cụ thể phụ thuộc vào phần tử mục tiêu. Các đường đặc trưng tạo thành các dãy K-, L- và M, tùy thuộc vào lớp vỏ (K, L hoặc M) mà electron bị loại bỏ. Mối quan hệ giữa bước sóng của tia X và số nguyên tử được gọi là định luật Moseley (Hình 2).

Nếu một electron va chạm với một hạt nhân tương đối nặng, thì nó sẽ chuyển động chậm lại và động năng của nó được giải phóng dưới dạng một photon tia X có cùng năng lượng. Nếu anh ta bay qua hạt nhân, anh ta sẽ chỉ mất một phần năng lượng và phần còn lại sẽ được truyền cho các nguyên tử khác cản đường anh ta. Mỗi hành động mất năng lượng đều dẫn đến sự phát ra một photon mang một năng lượng nào đó. Một phổ tia X liên tục xuất hiện, giới hạn trên tương ứng với năng lượng của electron nhanh nhất. Đây là cơ chế hình thành phổ liên tục và năng lượng tối đa (hoặc bước sóng tối thiểu) cố định ranh giới của phổ liên tục tỷ lệ thuận với điện áp gia tốc, xác định tốc độ của các electron tới. Các vạch quang phổ đặc trưng cho vật liệu của mục tiêu bị bắn phá, trong khi phổ liên tục được xác định bởi năng lượng của chùm điện tử và thực tế không phụ thuộc vào vật liệu của mục tiêu. Tia X có thể thu được không chỉ bằng cách bắn phá electron mà còn bằng cách chiếu xạ mục tiêu bằng tia X từ một nguồn khác. Tuy nhiên, trong trường hợp này, phần lớn năng lượng của chùm tia tới đi vào phổ tia X đặc trưng và một phần rất nhỏ của nó rơi vào phổ liên tục. Rõ ràng, chùm tia X tới phải chứa các photon có năng lượng đủ để kích thích các vạch đặc trưng của phần tử bị bắn phá. Tỷ lệ phần trăm năng lượng cao trên phổ đặc trưng làm cho phương pháp kích thích tia X này trở nên thuận tiện cho nghiên cứu khoa học.
ống tia X.Để thu được bức xạ tia X do tương tác của electron với vật chất, cần phải có nguồn electron, phương tiện gia tốc chúng lên tốc độ cao và mục tiêu có khả năng chịu được sự bắn phá của electron và tạo ra bức xạ tia X. cường độ mong muốn. Thiết bị có tất cả những thứ này được gọi là ống tia X. Các nhà thám hiểm ban đầu đã sử dụng các ống "chân không sâu" như các ống phóng điện ngày nay. Khoảng trống trong họ không cao lắm. Các ống phóng điện chứa một lượng nhỏ khí, và khi đặt một hiệu điện thế lớn vào các điện cực của ống, các nguyên tử khí sẽ biến thành các ion dương và âm. Các cực dương di chuyển về phía điện cực âm (cực âm) và rơi vào nó, đánh bật các electron ra khỏi nó, và đến lượt chúng, chúng di chuyển về phía điện cực dương (cực dương) và bắn phá nó, tạo ra một luồng photon tia X . Trong ống tia X hiện đại do Coolidge phát triển (Hình 3), nguồn điện tử là cực âm vonfram được nung nóng ở nhiệt độ cao. Các electron được tăng tốc lên tốc độ cao bởi sự chênh lệch điện thế cao giữa cực dương (hoặc cực cực) và cực âm. Vì các electron phải đến cực dương mà không va chạm với các nguyên tử, nên cần có độ chân không rất cao, trong đó ống phải được hút chân không tốt. Điều này cũng làm giảm xác suất ion hóa của các nguyên tử khí còn lại và các dòng bên liên quan.

Các electron được tập trung vào cực dương bằng một điện cực có hình dạng đặc biệt bao quanh cực âm. Điện cực này được gọi là điện cực hội tụ và cùng với cực âm tạo thành "đèn rọi điện tử" của ống. Cực dương chịu sự bắn phá của electron phải được làm bằng vật liệu chịu lửa, vì phần lớn động năng của các electron bị bắn phá được chuyển thành nhiệt. Ngoài ra, điều mong muốn là cực dương được làm bằng vật liệu có số nguyên tử cao, vì năng suất tia X tăng khi số nguyên tử tăng. Vonfram, có số nguyên tử là 74, thường được chọn làm vật liệu cực dương.Thiết kế của ống tia X có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện và yêu cầu ứng dụng.
PHÁT HIỆN X-quang
Tất cả các phương pháp phát hiện tia X đều dựa trên sự tương tác của chúng với vật chất. Máy dò có thể có hai loại: loại cho hình ảnh và loại không. Loại thứ nhất bao gồm các thiết bị chụp huỳnh quang và chụp huỳnh quang tia X, trong đó chùm tia X đi qua đối tượng đang nghiên cứu và bức xạ truyền đi vào màn hình hoặc phim phát quang. Hình ảnh xuất hiện do các phần khác nhau của vật thể được nghiên cứu hấp thụ bức xạ theo những cách khác nhau - tùy thuộc vào độ dày của chất và thành phần của nó. Trong các máy dò có màn phát quang, năng lượng tia X được chuyển thành hình ảnh có thể quan sát trực tiếp, trong khi trong chụp X quang, nó được ghi lại trên một nhũ tương nhạy cảm và chỉ có thể quan sát được sau khi đã phát triển phim. Loại máy dò thứ hai bao gồm nhiều loại thiết bị trong đó năng lượng tia X được chuyển đổi thành tín hiệu điện đặc trưng cho cường độ tương đối của bức xạ. Chúng bao gồm các buồng ion hóa, máy đếm Geiger, máy đếm tỷ lệ, máy đếm nhấp nháy và một số máy dò đặc biệt dựa trên cadmium sulfide và selenide. Hiện nay, máy đếm nhấp nháy có thể được coi là máy dò hiệu quả nhất, hoạt động tốt trong dải năng lượng rộng.
Xem thêm MÁY DÒ HẠT . Máy dò được chọn có tính đến các điều kiện của vấn đề. Ví dụ: nếu cần đo chính xác cường độ bức xạ tia X bị nhiễu xạ, thì các bộ đếm được sử dụng cho phép thực hiện các phép đo với độ chính xác đến từng phần trăm. Nếu cần đăng ký nhiều chùm nhiễu xạ thì nên sử dụng phim X-quang, mặc dù trong trường hợp này không thể xác định cường độ với cùng độ chính xác.
NỘI SOI X-RAY VÀ GAMMA
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của tia X trong công nghiệp là kiểm soát chất lượng vật liệu và phát hiện khuyết tật. Phương pháp tia X không phá hủy, do đó, vật liệu đang được thử nghiệm, nếu đáp ứng các yêu cầu bắt buộc, thì có thể được sử dụng cho mục đích đã định. Cả phát hiện khuyết tật bằng tia X và tia gamma đều dựa trên khả năng xuyên thấu của tia X và đặc tính hấp thụ của nó trong vật liệu. Năng lượng xuyên thấu được xác định bởi năng lượng của các photon tia X, năng lượng này phụ thuộc vào điện áp gia tốc trong ống tia X. Do đó, các mẫu dày và mẫu từ kim loại nặng, chẳng hạn như vàng và uranium, cần nguồn tia X có điện áp cao hơn để nghiên cứu và đối với các mẫu mỏng, nguồn có điện áp thấp hơn là đủ. Để phát hiện khuyết tật bằng tia gamma của các vật đúc rất lớn và các sản phẩm cán lớn, betatron và máy gia tốc tuyến tính được sử dụng, gia tốc các hạt tới năng lượng 25 MeV trở lên. Độ hấp thụ tia X của một vật liệu phụ thuộc vào bề dày của chất hấp thụ d và hệ số hấp thụ m và được xác định theo công thức I = I0e-md, trong đó I là cường độ bức xạ truyền qua chất hấp thụ, I0 là cường độ của bức xạ tới, và e = 2,718 là cơ số của logarit tự nhiên. Đối với một vật liệu nhất định, ở một bước sóng (hoặc năng lượng) nhất định của tia X, hệ số hấp thụ là một hằng số. Nhưng bức xạ của nguồn tia X không phải là đơn sắc mà chứa nhiều dải bước sóng, do đó độ hấp thụ ở cùng độ dày của chất hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của bức xạ. Bức xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp liên quan đến quá trình xử lý kim loại bằng áp suất. Nó cũng được sử dụng để kiểm tra nòng pháo, thực phẩm, nhựa, để kiểm tra các thiết bị và hệ thống phức tạp trong kỹ thuật điện tử. (Neutronography cũng được sử dụng cho các mục đích tương tự, sử dụng chùm neutron thay vì tia X.) Tia X cũng được sử dụng cho các mục đích khác, chẳng hạn như kiểm tra các bức tranh để xác định tính xác thực của chúng hoặc để phát hiện các lớp sơn bổ sung trên lớp chính.
NHIỄU X quang
Nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin quan trọng về chất rắn—cấu trúc nguyên tử và dạng tinh thể của chúng—cũng như về chất lỏng, thể vô định hình và các phân tử lớn. Phương pháp nhiễu xạ cũng được sử dụng để xác định chính xác (với sai số nhỏ hơn 10-5) khoảng cách giữa các nguyên tử, phát hiện các ứng suất và khuyết tật cũng như để xác định hướng của các tinh thể đơn lẻ. Mẫu nhiễu xạ có thể xác định các vật liệu chưa biết, cũng như phát hiện sự hiện diện của tạp chất trong mẫu và xác định chúng. Tầm quan trọng của phương pháp nhiễu xạ tia X đối với sự tiến bộ của vật lý hiện đại khó có thể được đánh giá quá cao, vì sự hiểu biết hiện đại về các tính chất của vật chất cuối cùng dựa trên dữ liệu về sự sắp xếp của các nguyên tử trong các hợp chất hóa học khác nhau, về bản chất của các liên kết. giữa chúng, và trên các khiếm khuyết cấu trúc. Công cụ chính để thu được thông tin này là phương pháp nhiễu xạ tia X. Tinh thể học nhiễu xạ tia X là cần thiết để xác định cấu trúc của các phân tử lớn phức tạp, chẳng hạn như của axit deoxyribonucleic (DNA), vật liệu di truyền của các sinh vật sống. Ngay sau khi phát hiện ra bức xạ tia X, mối quan tâm khoa học và y tế đã tập trung cả vào khả năng bức xạ này xuyên qua các cơ thể và bản chất của nó. Các thí nghiệm về sự nhiễu xạ của bức xạ tia X trên các khe và cách tử nhiễu xạ cho thấy nó thuộc về bức xạ điện từ và có bước sóng vào khoảng 10-8-10-9 cm. rằng hình dạng đều đặn và đối xứng của các tinh thể tự nhiên là do sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử hình thành nên tinh thể. Trong một số trường hợp, Barlow có thể dự đoán chính xác cấu trúc của tinh thể. Giá trị của khoảng cách giữa các nguyên tử được dự đoán là 10-8 cm.Thực tế là khoảng cách giữa các nguyên tử hóa ra là theo thứ tự của bước sóng tia X về nguyên tắc có thể quan sát được nhiễu xạ của chúng. Kết quả là ý tưởng cho một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong lịch sử vật lý. M. Laue đã tổ chức một thử nghiệm thực nghiệm về ý tưởng này do các đồng nghiệp của ông là W. Friedrich và P. Knipping thực hiện. Năm 1912, ba người họ công bố công trình về kết quả nhiễu xạ tia X. Nguyên tắc nhiễu xạ tia X. Để hiểu được hiện tượng nhiễu xạ tia X, ta phải xem xét theo thứ tự: thứ nhất là phổ của tia X, thứ hai là bản chất của cấu trúc tinh thể và thứ ba là bản thân hiện tượng nhiễu xạ. Như đã đề cập ở trên, bức xạ tia X đặc trưng bao gồm một loạt các vạch quang phổ có mức độ đơn sắc cao, được xác định bởi vật liệu cực dương. Với sự trợ giúp của các bộ lọc, bạn có thể chọn bộ lọc mạnh nhất trong số chúng. Do đó, bằng cách chọn vật liệu anot theo cách thích hợp, có thể thu được nguồn bức xạ gần như đơn sắc với giá trị bước sóng được xác định rất chính xác. Các bước sóng của bức xạ đặc trưng thường nằm trong khoảng từ 2,285 đối với crom đến 0,558 đối với bạc (các giá trị của các nguyên tố khác nhau được xác định bằng sáu chữ số có nghĩa). Phổ đặc trưng được đặt chồng lên một phổ "trắng" liên tục có cường độ thấp hơn nhiều, do sự giảm tốc của các electron tới ở cực dương. Do đó, có thể thu được hai loại bức xạ từ mỗi cực dương: đặc trưng và bức xạ hãm, mỗi loại đóng một vai trò quan trọng theo cách riêng của nó. Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể được đặt cách đều nhau, tạo thành một chuỗi các ô giống hệt nhau - một mạng không gian. Một số mạng (ví dụ, đối với hầu hết các kim loại thông thường) khá đơn giản, trong khi những mạng khác (ví dụ, đối với các phân tử protein) lại khá phức tạp. Cấu trúc tinh thể được đặc trưng bởi những điều sau: nếu một người dịch chuyển từ một số điểm nhất định của một ô sang điểm tương ứng của ô bên cạnh, thì môi trường nguyên tử giống hệt nhau sẽ được tìm thấy. Và nếu một số nguyên tử nằm ở điểm này hoặc điểm khác của một ô, thì nguyên tử đó sẽ nằm ở điểm tương đương của bất kỳ ô lân cận nào. Nguyên tắc này hoàn toàn có giá trị đối với một tinh thể hoàn hảo, có trật tự lý tưởng. Tuy nhiên, nhiều tinh thể (ví dụ, dung dịch rắn kim loại) bị mất trật tự ở một mức độ nào đó; những vị trí tương đương về mặt tinh thể có thể bị chiếm bởi các nguyên tử khác nhau. Trong những trường hợp này, không phải vị trí của từng nguyên tử được xác định mà chỉ vị trí của một nguyên tử được "lấy trung bình theo thống kê" trên một số lượng lớn các hạt (hoặc ô). Hiện tượng nhiễu xạ được thảo luận trong bài viết QUANG HỌC và người đọc có thể tham khảo bài viết này trước khi tiếp tục. Nó chỉ ra rằng nếu sóng (ví dụ: âm thanh, ánh sáng, tia X) đi qua một khe hoặc lỗ nhỏ, thì khe hoặc lỗ nhỏ có thể được coi là nguồn sóng thứ cấp và hình ảnh của khe hoặc lỗ bao gồm ánh sáng xen kẽ và sọc tối. Hơn nữa, nếu có cấu trúc định kỳ của các lỗ hoặc khe, thì do sự giao thoa khuếch đại và suy giảm của các tia phát ra từ các lỗ khác nhau, sẽ tạo ra một kiểu nhiễu xạ rõ ràng. Nhiễu xạ tia X là một hiện tượng tán xạ tập thể, trong đó vai trò của các lỗ trống và tâm tán xạ được thực hiện bởi các nguyên tử được sắp xếp theo chu kỳ của cấu trúc tinh thể. Sự khuếch đại lẫn nhau của hình ảnh của chúng ở những góc nhất định tạo ra một kiểu nhiễu xạ tương tự như kiểu nhiễu xạ do nhiễu xạ ánh sáng trên cách tử nhiễu xạ ba chiều. Sự tán xạ xảy ra do sự tương tác của bức xạ tia X tới với các electron trong tinh thể. Do bước sóng của bức xạ tia X cùng bậc với kích thước của nguyên tử nên bước sóng của bức xạ tia X tán xạ giống như bước sóng của tia tới. Quá trình này là kết quả của sự dao động cưỡng bức của các electron dưới tác dụng của tia X tới. Bây giờ hãy xem xét một nguyên tử có một đám mây electron liên kết (bao quanh hạt nhân) trên đó tia X là tia tới. Các electron theo mọi hướng đồng thời tán xạ sự cố và phát ra bức xạ tia X của riêng chúng có cùng bước sóng, mặc dù có cường độ khác nhau. Cường độ của bức xạ tán xạ liên quan đến số nguyên tử của nguyên tố, vì số hiệu nguyên tử bằng số electron quỹ đạo có thể tham gia tán xạ. (Sự phụ thuộc của cường độ vào số nguyên tử của nguyên tố tán xạ và vào hướng đo cường độ được đặc trưng bởi hệ số tán xạ nguyên tử, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong phân tích cấu trúc tinh thể.) Chúng ta hãy chọn trong cấu trúc tinh thể một chuỗi nguyên tử tuyến tính nằm ở cùng khoảng cách với nhau và xem xét hình ảnh nhiễu xạ của chúng. Người ta đã lưu ý rằng phổ tia X bao gồm một phần liên tục ("liên tục") và một tập hợp các vạch cường độ cao hơn đặc trưng cho nguyên tố là vật liệu cực dương. Giả sử chúng ta đã lọc ra quang phổ liên tục và thu được một chùm tia X gần như đơn sắc hướng vào chuỗi nguyên tử tuyến tính của chúng ta. Điều kiện khuếch đại (khuếch đại giao thoa) được thỏa mãn nếu sự khác biệt giữa các đường đi của sóng bị tán xạ bởi các nguyên tử lân cận là bội số của bước sóng. Nếu chùm tia tới ở một góc a0 tới một dòng nguyên tử cách nhau một khoảng a (chu kỳ), thì đối với góc nhiễu xạ a, hiệu đường truyền tương ứng với độ lợi sẽ được viết là a(cos a - cosa0) = hl, trong đó l là bước sóng và h là số nguyên (Hình 4 và 5).

Để mở rộng cách tiếp cận này cho tinh thể ba chiều, chỉ cần chọn các hàng nguyên tử theo hai hướng khác nhau trong tinh thể và giải ba phương trình do đó thu được đồng thời cho ba trục tinh thể với các chu kỳ a, b và c. Hai phương trình còn lại là

Đây là ba phương trình Laue cơ bản cho nhiễu xạ tia X, với các số h, k và c là các chỉ số Miller cho mặt phẳng nhiễu xạ.
Xem thêm TINH THỂ VÀ HÌNH HỌC TINH THỂ. Xem xét bất kỳ phương trình Laue nào, chẳng hạn như phương trình đầu tiên, người ta có thể nhận thấy rằng vì a, a0, l là các hằng số và h = 0, 1, 2, ..., nghiệm của nó có thể được biểu diễn dưới dạng một tập hợp các hình nón với trục chung a (Hình . năm). Điều này cũng đúng với hướng b và c. Trong trường hợp tổng quát của tán xạ ba chiều (nhiễu xạ), ba phương trình Laue phải có một nghiệm chung, tức là ba hình nón nhiễu xạ nằm trên mỗi trục phải cắt nhau; đường giao nhau chung được thể hiện trong hình. 6. Nghiệm chung của các phương trình dẫn đến định luật Bragg-Wulf:

l = 2(d/n)sinq, trong đó d là khoảng cách giữa các mặt phẳng có chỉ số h, k và c (chu kỳ), n = 1, 2, ... là các số nguyên (bậc nhiễu xạ) và q là góc được hình thành bởi chùm tia tới (cũng như nhiễu xạ) với mặt phẳng của tinh thể trong đó nhiễu xạ xảy ra. Phân tích phương trình của định luật Bragg - Wolfe đối với một tinh thể nằm trên đường đi của chùm tia X đơn sắc, chúng ta có thể kết luận rằng nhiễu xạ không dễ quan sát, bởi vì l và q là cố định, và sinq PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỄU SẮC
phương pháp Laue. Phương pháp Laue sử dụng phổ tia X "trắng" liên tục, được hướng tới một tinh thể đơn tĩnh. Đối với một giá trị cụ thể của khoảng thời gian d, bước sóng tương ứng với điều kiện Bragg-Wulf được chọn tự động từ toàn bộ quang phổ. Các mẫu Laue thu được theo cách này giúp có thể đánh giá hướng của các chùm nhiễu xạ và do đó, hướng của các mặt phẳng tinh thể, điều này cũng giúp đưa ra kết luận quan trọng về tính đối xứng, hướng của tinh thể và sự hiện diện của tinh thể. những khiếm khuyết trong đó. Tuy nhiên, trong trường hợp này, thông tin về chu kỳ không gian d bị mất. Trên hình. 7 cho thấy một ví dụ về Lauegram. Phim tia X được đặt ở mặt của tinh thể đối diện với mặt mà chùm tia X từ nguồn chiếu tới.

Phương pháp Debye-Scherrer (đối với mẫu đa tinh thể). Không giống như phương pháp trước, bức xạ đơn sắc (l = const) được sử dụng ở đây và góc q thay đổi. Điều này đạt được bằng cách sử dụng một mẫu đa tinh thể bao gồm nhiều tinh thể nhỏ định hướng ngẫu nhiên, trong số đó có những tinh thể thỏa mãn điều kiện Bragg–Wulf. Các chùm nhiễu xạ tạo thành hình nón, trục của nó hướng dọc theo chùm tia X. Để chụp ảnh, một dải phim X-quang hẹp thường được sử dụng trong một băng hình trụ và tia X được truyền dọc theo đường kính thông qua các lỗ trên phim. Debyegram thu được theo cách này (Hình 8) chứa thông tin chính xác về khoảng thời gian d, tức là về cấu trúc của tinh thể, nhưng không cung cấp thông tin mà Lauegram chứa. Do đó, cả hai phương pháp bổ sung cho nhau. Chúng ta hãy xem xét một số ứng dụng của phương pháp Debye-Scherrer.

Nhận biết nguyên tố hóa học và hợp chất. Từ góc q được xác định từ Debyegram, người ta có thể tính khoảng cách giữa các mặt phẳng d đặc trưng của một nguyên tố hoặc hợp chất đã cho. Hiện tại, nhiều bảng giá trị d đã được biên soạn, giúp xác định không chỉ một hoặc một nguyên tố hóa học hoặc hợp chất khác, mà còn cả các trạng thái pha khác nhau của cùng một chất, không phải lúc nào cũng đưa ra phân tích hóa học. Cũng có thể xác định hàm lượng của thành phần thứ hai trong hợp kim thay thế với độ chính xác cao từ sự phụ thuộc của chu kỳ d vào nồng độ.
Phân tích căng thẳng. Từ sự khác biệt đo được về khoảng cách giữa các hành tinh đối với các hướng khác nhau trong tinh thể, khi biết mô đun đàn hồi của vật liệu, có thể tính toán các ứng suất nhỏ trong đó với độ chính xác cao.
Các nghiên cứu về định hướng ưu tiên trong tinh thể. Nếu các tinh thể nhỏ trong một mẫu đa tinh thể không được định hướng hoàn toàn ngẫu nhiên, thì các vòng trên Debyegram sẽ có cường độ khác nhau. Khi có hướng ưu tiên rõ rệt, cường độ cực đại tập trung ở các điểm riêng lẻ trong ảnh, điểm này trở nên giống với ảnh đối với một tinh thể. Ví dụ, trong quá trình cán nguội sâu, tấm kim loại thu được kết cấu - định hướng rõ rệt của các tinh thể. Theo debaygram, người ta có thể đánh giá bản chất của quá trình gia công nguội của vật liệu.
Nghiên cứu kích thước hạt. Nếu kích thước hạt của đa tinh thể lớn hơn 10-3 cm, thì các vạch trên Debyegram sẽ bao gồm các điểm riêng lẻ, vì trong trường hợp này, số lượng tinh thể không đủ để bao phủ toàn bộ phạm vi giá trị của các góc q. Nếu kích thước tinh thể nhỏ hơn 10-5 cm, thì các vạch nhiễu xạ trở nên rộng hơn. Chiều rộng của chúng tỷ lệ nghịch với kích thước của tinh thể. Sự mở rộng xảy ra vì lý do tương tự như việc giảm số lượng khe làm giảm độ phân giải của cách tử nhiễu xạ. Bức xạ tia X giúp xác định kích thước hạt trong khoảng 10-7-10-6 cm.
Các phương pháp cho đơn tinh thể.Để nhiễu xạ của một tinh thể cung cấp thông tin không chỉ về chu kỳ không gian mà còn về hướng của từng bộ mặt phẳng nhiễu xạ, người ta sử dụng các phương pháp của một tinh thể quay. Chùm tia X đơn sắc chiếu tới tinh thể. Tinh thể quay quanh trục chính, thỏa mãn các phương trình Laue. Trong trường hợp này, góc q, được bao gồm trong công thức Bragg-Wulf, sẽ thay đổi. Các cực đại nhiễu xạ nằm ở giao điểm của các hình nón nhiễu xạ Laue với bề mặt hình trụ của màng (Hình 9). Kết quả là một mẫu nhiễu xạ của loại được hiển thị trong Hình. 10. Tuy nhiên, các biến chứng có thể xảy ra do sự chồng chéo của các bậc nhiễu xạ khác nhau tại một điểm. Phương pháp này có thể được cải thiện đáng kể nếu đồng thời với sự quay của tinh thể, màng cũng được di chuyển theo một cách nhất định.

Nghiên cứu về chất lỏng và chất khí.Được biết, chất lỏng, chất khí và chất vô định hình không có cấu trúc tinh thể chính xác. Nhưng ở đây cũng có một liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử, do đó khoảng cách giữa chúng hầu như không đổi, mặc dù bản thân các phân tử được định hướng ngẫu nhiên trong không gian. Những vật liệu như vậy cũng tạo ra một hình ảnh nhiễu xạ với số lượng cực đại bị nhòe tương đối nhỏ. Việc xử lý một bức tranh như vậy bằng các phương pháp hiện đại giúp có thể thu được thông tin về cấu trúc của ngay cả những vật liệu phi tinh thể như vậy.
PHÂN TÍCH PHỔ X-quang
Vài năm sau khi phát hiện ra tia X, Ch. Barkla (1877-1944) đã phát hiện ra rằng khi dòng tia X năng lượng cao tác động lên một chất, các tia X huỳnh quang thứ cấp xuất hiện, đặc trưng cho nguyên tố dưới nghiên cứu. Ngay sau đó, G. Moseley, trong một loạt thí nghiệm của mình, đã đo bước sóng của bức xạ tia X đặc trưng cơ bản thu được bằng cách bắn phá electron vào các nguyên tố khác nhau và suy ra mối quan hệ giữa bước sóng và số hiệu nguyên tử. Những thí nghiệm này, và việc Bragg phát minh ra quang phổ kế tia X, đã đặt nền móng cho phân tích quang phổ tia X. Khả năng của tia X trong phân tích hóa học đã được công nhận ngay lập tức. Máy quang phổ được tạo ra với đăng ký trên một tấm ảnh, trong đó mẫu được nghiên cứu đóng vai trò là cực dương của ống tia X. Thật không may, kỹ thuật này hóa ra rất tốn công sức và do đó chỉ được sử dụng khi các phương pháp phân tích hóa học thông thường không thể áp dụng được. Một ví dụ nổi bật về nghiên cứu sáng tạo trong lĩnh vực phân tích quang phổ tia X là phát hiện vào năm 1923 của G. Hevesy và D. Coster về một nguyên tố mới, hafnium. Sự phát triển của các ống tia X công suất cao để chụp ảnh bức xạ và các máy dò nhạy để đo phóng xạ trong Thế chiến II đã góp phần lớn vào sự phát triển nhanh chóng của quang phổ tia X trong những năm tiếp theo. Phương pháp này đã trở nên phổ biến do tốc độ, sự tiện lợi, tính chất không phá hủy của phép phân tích và khả năng tự động hóa toàn bộ hoặc một phần. Nó được áp dụng trong các bài toán phân tích định lượng và định tính tất cả các nguyên tố có số hiệu nguyên tử lớn hơn 11 (natri). Và mặc dù phân tích quang phổ tia X thường được sử dụng để xác định các thành phần quan trọng nhất trong mẫu (từ 0,1-100%), nhưng trong một số trường hợp, nó phù hợp với nồng độ 0,005% và thậm chí thấp hơn.
máy quang phổ tia X. Máy quang phổ tia X hiện đại bao gồm ba hệ thống chính (Hình 11): hệ thống kích thích, tức là ống tia X có cực dương làm bằng vonfram hoặc vật liệu chịu lửa khác và nguồn điện; hệ thống phân tích, tức là một tinh thể phân tích với hai bộ chuẩn trực nhiều khe, cũng như một máy đo quang phổ để tinh chỉnh; và hệ thống đăng ký với bộ đếm Geiger hoặc tỷ lệ hoặc nhấp nháy, cũng như bộ chỉnh lưu, bộ khuếch đại, bộ đếm và máy ghi biểu đồ hoặc thiết bị ghi khác.

Phân tích huỳnh quang tia X. Mẫu được phân tích nằm trong đường đi của tia X kích thích. Vùng của mẫu được kiểm tra thường được cách ly bằng mặt nạ có lỗ có đường kính mong muốn và bức xạ đi qua ống chuẩn trực tạo thành chùm tia song song. Đằng sau tinh thể máy phân tích, một ống chuẩn trực khe phát ra bức xạ nhiễu xạ cho máy dò. Thông thường, góc cực đại q được giới hạn ở 80-85°, do đó chỉ những tia X có bước sóng l mới liên quan đến khoảng cách giữa các mặt phẳng d theo bất đẳng thức l vi phân tích tia X. Máy quang phổ tinh thể phân tích phẳng được mô tả ở trên có thể được điều chỉnh cho vi phân tích. Điều này đạt được bằng cách hạn chế chùm tia X sơ cấp hoặc chùm tia thứ cấp do mẫu phát ra. Tuy nhiên, việc giảm kích thước hiệu dụng của mẫu hoặc khẩu độ bức xạ dẫn đến giảm cường độ của bức xạ nhiễu xạ ghi được. Có thể đạt được sự cải tiến đối với phương pháp này bằng cách sử dụng máy quang phổ tinh thể cong, cho phép ghi lại hình nón của bức xạ phân kỳ chứ không chỉ bức xạ song song với trục của ống chuẩn trực. Với máy quang phổ như vậy, có thể xác định được các hạt nhỏ hơn 25 µm. Máy phân tích vi phân đầu dò điện tử tia X do R. Kasten phát minh đã đạt được mức giảm thậm chí còn lớn hơn nữa về kích thước của mẫu được phân tích. Ở đây, một chùm điện tử tập trung cao kích thích sự phát xạ tia X đặc trưng của mẫu, sau đó được phân tích bằng máy quang phổ tinh thể uốn cong. Sử dụng một thiết bị như vậy, có thể phát hiện lượng chất có khối lượng từ 10–14 g trong một mẫu có đường kính 1 μm. Các cài đặt với chức năng quét mẫu bằng chùm tia điện tử cũng đã được phát triển, với sự trợ giúp của nó, có thể thu được mô hình phân bố hai chiều trên mẫu của nguyên tố mà máy quang phổ điều chỉnh bức xạ đặc trưng của nó.
CHẨN ĐOÁN X-quang Y TẾ
Sự phát triển của công nghệ tia X đã giảm đáng kể thời gian phơi sáng và cải thiện chất lượng hình ảnh, cho phép nghiên cứu cả các mô mềm.
huỳnh quang. Phương pháp chẩn đoán này bao gồm chụp ảnh bóng từ màn hình mờ. Bệnh nhân được đặt giữa một nguồn tia X và một màn hình phẳng bằng phốt pho (thường là cesium iodide), phát sáng khi tiếp xúc với tia X. Các mô sinh học với mật độ khác nhau tạo ra bóng của bức xạ tia X với cường độ khác nhau. Bác sĩ X quang kiểm tra hình ảnh bóng trên màn hình huỳnh quang và đưa ra chẩn đoán. Trước đây, bác sĩ X-quang dựa vào tầm nhìn để phân tích hình ảnh. Hiện nay có nhiều hệ thống khuếch đại hình ảnh, hiển thị hình ảnh trên màn hình tivi hoặc ghi dữ liệu vào bộ nhớ máy tính.
chụp X quang. Việc ghi hình ảnh tia X trực tiếp trên phim chụp ảnh được gọi là chụp ảnh X quang. Trong trường hợp này, cơ quan được nghiên cứu nằm giữa nguồn tia X và phim, ghi lại thông tin về trạng thái của cơ quan tại một thời điểm nhất định. Chụp X quang lặp đi lặp lại giúp đánh giá sự tiến hóa tiếp theo của nó. Chụp X quang cho phép bạn kiểm tra rất chính xác tính toàn vẹn của mô xương, bao gồm chủ yếu là canxi và không thể nhìn thấy bằng tia X, cũng như các vết nứt của mô cơ. Với sự trợ giúp của nó, tốt hơn cả ống nghe hoặc ống nghe, tình trạng của phổi được phân tích trong trường hợp viêm, lao hoặc có dịch. Với sự trợ giúp của chụp X quang, kích thước và hình dạng của tim, cũng như động lực học của những thay đổi của nó ở những bệnh nhân mắc bệnh tim, được xác định.
các chất tương phản. Các bộ phận của cơ thể và các khoang của các cơ quan riêng lẻ trong suốt với tia X sẽ trở nên nhìn thấy được nếu chúng chứa đầy chất tương phản không gây hại cho cơ thể nhưng cho phép hình dung hình dạng của các cơ quan nội tạng và kiểm tra hoạt động của chúng. Bệnh nhân dùng thuốc tương phản bằng đường uống (chẳng hạn như muối bari trong nghiên cứu đường tiêu hóa) hoặc tiêm tĩnh mạch (chẳng hạn như dung dịch chứa iốt trong nghiên cứu thận và đường tiết niệu). Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các phương pháp này đã được thay thế bằng các phương pháp chẩn đoán dựa trên việc sử dụng các nguyên tử phóng xạ và siêu âm.
chụp CT. Vào những năm 1970, một phương pháp chẩn đoán bằng tia X mới đã được phát triển, dựa trên một bức ảnh hoàn chỉnh về cơ thể hoặc các bộ phận của nó. Hình ảnh của các lớp mỏng ("lát") được máy tính xử lý và hình ảnh cuối cùng được hiển thị trên màn hình điều khiển. Phương pháp này được gọi là chụp cắt lớp x-quang điện toán. Nó được sử dụng rộng rãi trong y học hiện đại để chẩn đoán thâm nhiễm, khối u và các rối loạn não khác, cũng như chẩn đoán các bệnh về mô mềm bên trong cơ thể. Kỹ thuật này không yêu cầu sử dụng các chất tương phản nước ngoài và do đó nhanh hơn và hiệu quả hơn so với các kỹ thuật truyền thống.
TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ X-quang
Tác dụng sinh học có hại của bức xạ tia X được phát hiện ngay sau khi Roentgen phát hiện ra nó. Hóa ra bức xạ mới có thể gây ra một thứ gì đó giống như cháy nắng nghiêm trọng (ban đỏ), tuy nhiên, kèm theo tổn thương sâu hơn và lâu dài hơn cho da. Xuất hiện vết loét thường biến thành ung thư. Nhiều trường hợp phải cắt bỏ ngón tay hoặc bàn tay. Cũng có người chết. Người ta đã phát hiện ra rằng có thể tránh được tổn thương da bằng cách giảm thời gian và liều lượng tiếp xúc, sử dụng tấm chắn (ví dụ: chì) và điều khiển từ xa. Nhưng dần dần, những tác động khác, lâu dài hơn của việc tiếp xúc với tia X đã được tiết lộ, sau đó được xác nhận và nghiên cứu trên động vật thí nghiệm. Các tác động do tác động của tia X, cũng như các bức xạ ion hóa khác (chẳng hạn như bức xạ gamma do vật liệu phóng xạ phát ra) bao gồm: 1) những thay đổi tạm thời trong thành phần của máu sau khi tiếp xúc quá mức tương đối nhỏ; 2) những thay đổi không thể đảo ngược trong thành phần của máu (thiếu máu tán huyết) sau khi tiếp xúc quá nhiều trong thời gian dài; 3) sự gia tăng tỷ lệ mắc bệnh ung thư (bao gồm cả bệnh bạch cầu); 4) già nhanh hơn và chết sớm; 5) sự xuất hiện của đục thủy tinh thể. Ngoài ra, các thí nghiệm sinh học trên chuột, thỏ và ruồi (Drosophila) đã chỉ ra rằng ngay cả một lượng nhỏ chiếu xạ có hệ thống đối với quần thể lớn, do sự gia tăng tỷ lệ đột biến, dẫn đến các tác động di truyền có hại. Hầu hết các nhà di truyền học đều công nhận khả năng ứng dụng của những dữ liệu này đối với cơ thể con người. Đối với tác dụng sinh học của bức xạ tia X đối với cơ thể con người, nó được xác định bởi mức liều lượng bức xạ, cũng như cơ quan cụ thể nào của cơ thể đã tiếp xúc với bức xạ. Ví dụ, các bệnh về máu là do chiếu xạ các cơ quan tạo máu, chủ yếu là tủy xương và hậu quả di truyền - do chiếu xạ các cơ quan sinh dục, cũng có thể dẫn đến vô sinh. Việc tích lũy kiến ​​thức về tác động của bức xạ tia X đối với cơ thể con người đã dẫn đến sự phát triển của các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về liều lượng bức xạ cho phép, được xuất bản trong nhiều sách tham khảo. Ngoài tia X được con người sử dụng có mục đích, còn có cái gọi là bức xạ phụ, tán xạ xảy ra vì nhiều lý do, chẳng hạn như do tán xạ do sự không hoàn hảo của màn hình bảo vệ chì, không hấp thụ hoàn toàn bức xạ này. Ngoài ra, nhiều thiết bị điện không được thiết kế để tạo ra tia X nhưng vẫn tạo ra tia X dưới dạng sản phẩm phụ. Những thiết bị như vậy bao gồm kính hiển vi điện tử, đèn chỉnh lưu điện áp cao (kenotron), cũng như kính hiển vi của TV màu lỗi thời. Việc sản xuất kính hiển vi màu hiện đại ở nhiều quốc gia hiện nằm dưới sự kiểm soát của chính phủ.
CÁC YẾU TỐ NGUY HIỂM CỦA BỨC XẠ X-quang
Các loại và mức độ nguy hiểm của việc chiếu tia X đối với con người phụ thuộc vào đội ngũ những người bị chiếu.
Các chuyên gia làm việc với thiết bị x-quang. Danh mục này bao gồm bác sĩ X-quang, nha sĩ, cũng như nhân viên khoa học và kỹ thuật và nhân viên bảo trì và sử dụng thiết bị X-quang. Các biện pháp hiệu quả đang được thực hiện để giảm mức độ bức xạ mà họ phải đối phó.
Các bệnh nhân. Không có tiêu chí nghiêm ngặt nào ở đây và mức độ an toàn của bức xạ mà bệnh nhân nhận được trong quá trình điều trị được xác định bởi các bác sĩ tham gia. Các bác sĩ được khuyên không nên để bệnh nhân tiếp xúc với tia X một cách không cần thiết. Cần đặc biệt thận trọng khi khám cho phụ nữ có thai và trẻ em. Trong trường hợp này, các biện pháp đặc biệt được thực hiện.
Các phương pháp kiểm soát. Có ba khía cạnh cho điều này:
1) có đủ thiết bị, 2) thực thi các quy định về an toàn, 3) sử dụng thiết bị đúng cách. Khi kiểm tra bằng tia X, chỉ khu vực mong muốn mới được tiếp xúc với bức xạ, có thể là kiểm tra răng miệng hoặc kiểm tra phổi. Lưu ý rằng ngay sau khi tắt thiết bị X-quang, cả bức xạ sơ cấp và thứ cấp đều biến mất; cũng không có bức xạ dư, điều không phải lúc nào cũng được biết đến ngay cả với những người có liên quan trực tiếp đến nó trong công việc của họ.
Xem thêm
CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ;

Tia X được phát hiện một cách tình cờ vào năm 1895 bởi nhà vật lý nổi tiếng người Đức Wilhelm Roentgen. Ông đã nghiên cứu các tia âm cực trong một ống phóng khí áp suất thấp với điện áp cao giữa các điện cực của nó. Mặc dù thực tế là ống nằm trong hộp đen, nhưng Roentgen nhận thấy rằng một màn hình huỳnh quang, tình cờ ở gần đó, phát sáng mỗi khi ống hoạt động. Hóa ra, chiếc ống này là một nguồn bức xạ có thể xuyên qua giấy, gỗ, thủy tinh và thậm chí là một tấm nhôm dày nửa cm.

X-quang xác định rằng ống phóng khí là nguồn phát ra một loại bức xạ vô hình mới có khả năng xuyên thấu cao. Nhà khoa học không thể xác định bức xạ này là dòng hạt hay sóng, và ông quyết định đặt tên cho nó là tia X. Sau này chúng được gọi là tia X.

Hiện nay người ta đã biết tia X là một dạng bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn sóng điện từ tử ngoại. Bước sóng của tia X nằm trong khoảng từ 70 bước sóng lên đến 10 -5 bước sóng. Bước sóng của tia X càng ngắn thì năng lượng của các photon của chúng càng lớn và khả năng xuyên thấu càng lớn. Tia X có bước sóng tương đối dài (hơn 10 bước sóng), được gọi là Dịu dàng. Bước sóng 1 - 10 bước sóngđặc trưng khó khăn tia X. Họ có sức mạnh thâm nhập lớn.

Chụp x-quang

Tia X được tạo ra khi các electron nhanh, hoặc tia cực âm, va chạm với thành hoặc cực dương của ống phóng điện áp suất thấp. Một ống tia X hiện đại là một hộp chứa thủy tinh chân không có cực âm và cực dương nằm trong đó. Sự khác biệt tiềm năng giữa cực âm và cực dương (anticathode) đạt tới vài trăm kilovolt. Cực âm là dây tóc vônfram được đốt nóng bằng dòng điện. Điều này dẫn đến sự phát xạ của các điện tử bởi cực âm là kết quả của sự phát xạ nhiệt. Các electron được gia tốc bởi một điện trường trong ống tia X. Vì có một số lượng rất nhỏ các phân tử khí trong ống nên các electron thực tế không bị mất năng lượng trên đường đến cực dương. Chúng đến cực dương với tốc độ rất cao.

Tia X luôn được tạo ra khi các electron tốc độ cao bị vật liệu cực dương làm chậm lại. Hầu hết năng lượng điện tử bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Do đó, cực dương phải được làm mát nhân tạo. Cực dương trong ống tia X phải được làm bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, chẳng hạn như vonfram.

Một phần năng lượng không tiêu tán dưới dạng nhiệt được chuyển thành năng lượng sóng điện từ (tia X). Do đó, tia X là kết quả của sự bắn phá điện tử vào vật liệu cực dương. Có hai loại tia X: bức xạ hãm và đặc trưng.

Chụp X-quang Bremsstrahlung

Bremsstrahlung xảy ra khi các electron chuyển động ở tốc độ cao bị giảm tốc bởi điện trường của các nguyên tử cực dương. Các điều kiện giảm tốc của các electron riêng lẻ không giống nhau. Kết quả là, nhiều phần động năng của chúng chuyển thành năng lượng của tia X.

Phổ hãm không phụ thuộc vào bản chất của vật liệu cực dương. Như bạn đã biết, năng lượng của các photon tia X xác định tần số và bước sóng của chúng. Do đó, tia X hãm quang không đơn sắc. Nó được đặc trưng bởi một loạt các bước sóng có thể được biểu diễn phổ liên tục (liên tục).

Tia X không thể có năng lượng lớn hơn động năng của các electron tạo thành chúng. Bước sóng tia X ngắn nhất tương ứng với động năng cực đại của các electron giảm tốc. Hiệu điện thế trong ống tia X càng lớn thì bước sóng tia X thu được càng nhỏ.

Tia X đặc trưng

Bức xạ tia X đặc trưng không liên tục, nhưng phổ vạch. Loại bức xạ này xảy ra khi một electron nhanh, khi đến cực dương, đi vào quỹ đạo bên trong của các nguyên tử và đánh bật một trong các electron của chúng. Kết quả là, một không gian trống xuất hiện, có thể được lấp đầy bởi một electron khác đi xuống từ một trong các quỹ đạo nguyên tử phía trên. Sự chuyển đổi này của một electron từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn tạo ra tia X có bước sóng rời rạc nhất định. Do đó, bức xạ tia X đặc trưng có phổ vạch. Tần số của các vạch bức xạ đặc trưng hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc obitan electron của nguyên tử anot.

Các vạch phổ của bức xạ đặc trưng của các nguyên tố hóa học khác nhau có dạng giống nhau, vì cấu trúc của các quỹ đạo electron bên trong của chúng giống hệt nhau. Nhưng bước sóng và tần số của chúng là do sự khác biệt về năng lượng giữa các quỹ đạo bên trong của các nguyên tử nặng và nhẹ.

Tần số của các vạch của phổ tia X đặc trưng thay đổi theo số hiệu nguyên tử của kim loại và được xác định theo phương trình Moseley: v 1/2 = Một(Z-B), ở đâu z- số nguyên tử của một nguyên tố hóa học, Một và b- hằng số.

Các cơ chế vật lý chính của sự tương tác của tia X với vật chất

Tương tác cơ bản giữa tia X và vật chất được đặc trưng bởi ba cơ chế:

1. Tán xạ mạch lạc. Dạng tương tác này xảy ra khi các photon tia X có năng lượng nhỏ hơn năng lượng liên kết của các electron với hạt nhân nguyên tử. Trong trường hợp này, năng lượng của photon không đủ để giải phóng các electron khỏi nguyên tử vật chất. Photon không bị nguyên tử hấp thụ mà làm thay đổi hướng truyền. Trong trường hợp này, bước sóng của bức xạ tia X không thay đổi.

2. Hiệu ứng quang điện (hiệu ứng quang điện). Khi một photon tia X chạm tới một nguyên tử vật chất, nó có thể đánh bật một trong các electron. Điều này xảy ra khi năng lượng photon vượt quá năng lượng liên kết của electron với hạt nhân. Trong trường hợp này, photon bị hấp thụ và electron được giải phóng khỏi nguyên tử. Nếu một photon mang nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để giải phóng một electron, thì nó sẽ truyền năng lượng còn lại cho electron được giải phóng dưới dạng động năng. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng quang điện, xảy ra khi các tia X năng lượng tương đối thấp được hấp thụ.

Nguyên tử mất đi một electron trở thành ion dương. Thời gian tồn tại của các điện tử tự do rất ngắn. Chúng được hấp thụ bởi các nguyên tử trung tính, biến thành các ion âm. Kết quả của hiệu ứng quang điện là sự ion hóa mãnh liệt vật chất.

Nếu năng lượng của photon tia X nhỏ hơn năng lượng ion hóa của nguyên tử thì nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích, nhưng không bị ion hóa.

3. Tán xạ không liên tục (Hiệu ứng Compton). Hiệu ứng này được phát hiện bởi nhà vật lý người Mỹ Compton. Nó xảy ra khi một chất hấp thụ tia X có bước sóng nhỏ. Năng lượng phôtôn của các tia X như vậy luôn lớn hơn năng lượng ion hóa của các nguyên tử của chất đó. Hiệu ứng Compton là kết quả của sự tương tác giữa một photon tia X năng lượng cao với một trong các electron ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử, electron này có liên kết tương đối yếu với hạt nhân nguyên tử.

Một photon năng lượng cao truyền một phần năng lượng của nó cho electron. Electron bị kích thích được giải phóng khỏi nguyên tử. Phần năng lượng còn lại của photon ban đầu được phát ra dưới dạng một photon tia X có bước sóng dài hơn theo một góc nào đó so với hướng của photon sơ cấp. Một photon thứ cấp có thể ion hóa một nguyên tử khác, v.v. Những thay đổi về hướng và bước sóng của tia X được gọi là hiệu ứng Compton.

Một số hiệu ứng tương tác của tia X với vật chất

Như đã đề cập ở trên, tia X có khả năng kích thích các nguyên tử và phân tử của vật chất. Điều này có thể gây ra huỳnh quang của một số chất (ví dụ như kẽm sulfat). Nếu một chùm tia X song song hướng vào các vật thể mờ đục, thì có thể quan sát thấy các tia này đi xuyên qua vật thể bằng cách đặt một màn chắn phủ chất huỳnh quang.

Màn hình huỳnh quang có thể được thay thế bằng phim chụp ảnh. Tia X có tác dụng tương tự đối với nhũ tương ảnh như ánh sáng. Cả hai phương pháp đều được sử dụng trong y học thực tế.

Một tác dụng quan trọng khác của tia X là khả năng ion hóa của chúng. Nó phụ thuộc vào bước sóng và năng lượng của chúng. Hiệu ứng này cung cấp một phương pháp đo cường độ tia X. Khi tia X đi qua buồng ion hóa, một dòng điện được tạo ra, cường độ của nó tỷ lệ thuận với cường độ của tia X.

Sự hấp thụ tia X của vật chất

Khi tia X đi qua vật chất, năng lượng của chúng giảm đi do hấp thụ và tán xạ. Sự suy yếu cường độ của chùm tia X song song đi qua một chất được xác định theo định luật Bouguer: Tôi = I0 e -μd, ở đâu tôi 0- cường độ ban đầu của bức xạ tia X; Tôi là cường độ tia X xuyên qua lớp vật chất, đ-độ dày lớp hấp thụ , μ - hệ số suy giảm tuyến tính. Nó bằng tổng của hai đại lượng: t- hệ số hấp thụ tuyến tính và σ - hệ số tán xạ tuyến tính: μ = τ+ σ

Trong các thí nghiệm, người ta nhận thấy hệ số hấp thụ tuyến tính phụ thuộc vào số hiệu nguyên tử của chất đó và bước sóng của tia X:

τ = kρZ 3 λ 3, ở đâu k- hệ số tỷ lệ thuận trực tiếp, ρ - mật độ của chất, z là số nguyên tử của nguyên tố, λ là bước sóng của tia X.

Sự phụ thuộc vào Z là rất quan trọng từ quan điểm thực tế. Ví dụ, hệ số hấp thụ của xương, bao gồm canxi photphat, cao hơn gần 150 lần so với hệ số hấp thụ của các mô mềm ( z=20 đối với canxi và z=15 đối với phốt pho). Khi tia X đi qua cơ thể con người, xương nổi bật rõ ràng trên nền của cơ, mô liên kết, v.v.

Được biết, các cơ quan tiêu hóa có hệ số hấp thụ tương tự như các mô mềm khác. Nhưng bóng của thực quản, dạ dày và ruột có thể được phân biệt nếu bệnh nhân nuốt phải chất tương phản - bari sulfat ( z= 56 đối với bari). Barium sulphate rất mờ đối với tia X và thường được sử dụng để kiểm tra tia X đường tiêu hóa. Một số hỗn hợp mờ đục được tiêm vào máu để kiểm tra tình trạng của mạch máu, thận và những thứ tương tự. Trong trường hợp này, iốt được sử dụng làm chất tương phản, số nguyên tử là 53.

Sự phụ thuộc của hấp thụ tia X vào z cũng được sử dụng để bảo vệ chống lại tác hại có thể có của tia X. Với mục đích này, chì được sử dụng, giá trị zđó là 82.

Ứng dụng của tia X trong y học

Lý do sử dụng tia X trong chẩn đoán là khả năng xuyên thấu cao của chúng, một trong những nguyên nhân chính đặc tính tia X. Trong những ngày đầu phát hiện ra, tia X chủ yếu được sử dụng để kiểm tra vết nứt xương và xác định vị trí dị vật (chẳng hạn như viên đạn) trong cơ thể con người. Hiện nay, một số phương pháp chẩn đoán được sử dụng bằng tia X (chẩn đoán bằng tia X).

soi huỳnh quang . Một thiết bị X-quang bao gồm nguồn tia X (ống tia X) và màn huỳnh quang. Sau khi tia X đi qua cơ thể bệnh nhân, bác sĩ quan sát thấy hình ảnh bóng của bệnh nhân. Một cửa sổ chì nên được lắp đặt giữa màn hình và mắt của bác sĩ để bảo vệ bác sĩ khỏi tác hại của tia X. Phương pháp này cho phép nghiên cứu trạng thái chức năng của một số cơ quan. Ví dụ, bác sĩ có thể quan sát trực tiếp chuyển động của phổi, sự di chuyển của chất cản quang qua đường tiêu hóa. Nhược điểm của phương pháp này là không đủ hình ảnh tương phản và liều lượng bức xạ tương đối cao mà bệnh nhân nhận được trong suốt quá trình.

huỳnh quang . Phương pháp này bao gồm chụp ảnh một phần cơ thể của bệnh nhân. Chúng thường được sử dụng để nghiên cứu sơ bộ về tình trạng của các cơ quan nội tạng của bệnh nhân sử dụng tia X liều thấp.

chụp X quang. (chụp X-quang). Đây là một phương pháp nghiên cứu sử dụng tia X, trong đó hình ảnh được ghi lại trên phim ảnh. Các bức ảnh thường được chụp ở hai mặt phẳng vuông góc với nhau. Phương pháp này có một số ưu điểm. Ảnh X-quang chứa nhiều chi tiết hơn hình ảnh trên màn hình huỳnh quang và do đó chúng có nhiều thông tin hơn. Chúng có thể được lưu lại để phân tích thêm. Tổng liều lượng bức xạ ít hơn so với sử dụng trong soi huỳnh quang.

Chụp X-quang điện toán . Máy chụp cắt lớp vi tính trục là thiết bị chẩn đoán tia X hiện đại nhất cho phép bạn có được hình ảnh rõ ràng về bất kỳ bộ phận nào trên cơ thể người, bao gồm cả các mô mềm của các cơ quan.

Thế hệ máy chụp cắt lớp vi tính (CT) đầu tiên bao gồm một ống tia X đặc biệt được gắn vào một khung hình trụ. Một chùm tia X mỏng hướng vào bệnh nhân. Hai máy dò tia X được gắn vào phía đối diện của khung. Bệnh nhân nằm ở trung tâm của khung, có thể xoay 180 0 quanh cơ thể.

Một chùm tia X đi qua một vật đứng yên. Các máy dò nhận và ghi lại các giá trị hấp thụ của các mô khác nhau. Quá trình ghi được thực hiện 160 lần trong khi ống tia X di chuyển tuyến tính dọc theo mặt phẳng được quét. Sau đó, khung được xoay 1 0 và quy trình được lặp lại. Quá trình ghi tiếp tục cho đến khi khung quay 180 0 . Mỗi máy dò ghi lại 28800 khung hình (180x160) trong quá trình nghiên cứu. Thông tin được xử lý bởi máy tính và hình ảnh của lớp đã chọn được tạo thành bằng một chương trình máy tính đặc biệt.

Thế hệ thứ hai của CT sử dụng nhiều chùm tia X và lên đến 30 máy dò tia X. Điều này giúp tăng tốc quá trình nghiên cứu lên đến 18 giây.

Thế hệ thứ ba của CT sử dụng một nguyên tắc mới. Một chùm tia X rộng ở dạng quạt bao phủ đối tượng đang nghiên cứu và bức xạ tia X đi qua cơ thể được ghi lại bởi hàng trăm máy dò. Thời gian cần thiết để nghiên cứu giảm xuống còn 5-6 giây.

CT có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp chẩn đoán bằng tia X trước đây. Nó được đặc trưng bởi độ phân giải cao, giúp phân biệt những thay đổi tinh tế trong các mô mềm. CT cho phép phát hiện các quá trình bệnh lý như vậy mà các phương pháp khác không thể phát hiện được. Ngoài ra, việc sử dụng CT giúp giảm liều bức xạ tia X mà bệnh nhân nhận được trong quá trình chẩn đoán.