Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Рентгенівське випромінювання



План:


Введення

Рентгенівське випромінювання - електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких лежить на шкалою електромагнітних хвиль між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням, що відповідає довжинам хвиль від 10 -2 до 10 3 (від 10 -12 до 10 -7 м). [1]


1. Положення на шкалі електромагнітних хвиль

Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання і гамма-випромінювання перекриваються в широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і при однаковій енергії фотонів - еквівалентні. Термінологічне розходження лежить в способі виникнення - рентгенівські промені випускаються за участю електронів (або у атомах, або вільних) в той час як гамма-випромінювання випускається в процесах девозбужденія атомних ядер. Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ, що відповідає випромінюванню з частотою від 3 10 16 до 6 19 жовтня Гц і довжиною хвилі 0,005-10 нм (загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських променів у шкалі довжин хвиль не існує). М'який рентген характеризується найменшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорсткий рентген володіє найбільшою енергією фотона і частотою випромінювання (і найменшою довжиною хвилі). Жорсткий рентген використовується переважно в промислових цілях.


2. Лабораторні джерела

2.1. Рентгенівські трубки

Схематичне зображення рентгенівської трубки. X - рентгенівські промені, K - катод, А - анод (іноді званий антикатод), С - теплоотвод, U h - напруга розжарення катода, U a - прискорює напруга, W in - впуск водяного охолодження, W out - випуск водяного охолодження.

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

Трубка Крукса

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


2.2. Прискорювачі частинок

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

Довжини хвиль спектральних ліній K-серій ( нм) для ряду анодних матеріалів. [2] , [3]
Kα ₁ Kα ₂ Kβ ₁ Kβ ₂
Fe 0,193735 0,193604 0,193998 0,17566 0,17442
Cu 0,154184 0,154056 0,154439 0,139222 0,138109
Ag 0,0560834 0,0559363 0,0563775
Cr 0,2291 0,22897 0,229361
Co 0,179026 0,178897 0,179285
Mo 0,071073 0,07093 0,071359
W 0,0210599 0,0208992 0,0213813
Zr 0,078593 0,079015 0,070173 0,068993
Ni 0,165791 0,166175 0,15001 0,14886

3. Взаємодія з речовиною

Довжина хвилі рентгенівських променів порівнянна з розмірами атомів, тому не існує матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, в рентгенівської оптиці були знайдені способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів. Зокрема з'ясувалося, що їх добре відображає алмаз [4].

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

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

  • Під фотопоглощеніем розуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більше деякого мінімального значення. Якщо розглядати ймовірність акта поглинання в залежності від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона (ймовірність) різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії ймовірність безперервно зменшується. Унаслідок такої залежності кажуть, що існує межа поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, при цьому випускається випромінювання з меншою енергією фотона, відбувається т. н. процес флюоресценції.
  • Рентгенівський фотон може взаємодіяти не тільки з пов'язаними електронами, а й з вільними, а також слабосвязанних електронами. Відбувається розсіювання фотонів на електронах - т. зв. комптонівське розсіювання. В залежності від кута розсіяння, довжина хвилі фотона збільшується на певну величину і, відповідно, енергія зменшується. Комптонівське розсіювання, в порівнянні з фотопоглощеніем, стає переважаючим при більш високих енергіях фотона.


На додаток до названих процесів існує ще одна принципова можливість поглинання - за рахунок виникнення електрон- позитронних пар. Однак для цього необхідні енергії більш 1,022 Ме В, які лежать поза окресленої вище межі рентгенівського випромінювання (<250 кеВ). Проте при іншому підході, коли "ренгеновскім" називається випромінювання, що виникло при взаємодії електрона і ядра або тільки електронів, такий процес має місце бути. Крім того, дуже жорстке рентгенівське випромінювання з енергією кванта більше 1 МеВ, здатне викликати Ядерний фотоефект.


3.1. Біологічний вплив

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


3.2. Реєстрація

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

4. Застосування

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

Виявлення дефектів у виробах (рейках, зварювальних швах і т. д.) за допомогою рентгенівського випромінювання називається рентгенівської дефектоскопії.

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

Крім того, за допомогою рентгенівських променів може бути визначений хімічний склад речовини. В електронно-променевому Мікрозонд (або ж в електронному мікроскопі) аналізоване речовина опромінюється електронами, при цьому атоми іонізуються і випромінюють характеристичне рентгенівське випромінювання. Замість електронів може використовуватися рентгенівське випромінювання. Цей аналітичний метод називається рентгенофлуоресцентного аналізу.

В аеропортах активно застосовуються рентгенотелевізійних інтроскопи, що дозволяють переглядати вміст ручної поклажі та багажу з метою візуального виявлення на екрані монітора предметів, що представляють 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 (короткодистанційної рентгенотерапія) або при напрузі 180-400 кв та шкірно-фокусній відстані 30-150 см (дистанційна рентгенотерапія).

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


5. Природне рентгенівське випромінювання

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


6. Історія відкриття

Зроблена В. К. Рентгеном фотографія (рентгенограма) руки Альберта фон Келікера

Рентгенівське випромінювання було відкрито Вільгельмом Конрадом Рентгеном. Він був першим, хто опублікував статтю про рентгенівських променях, які він назвав X-променями (X-ray). Стаття Рентгена під назвою "Про новий тип променів" була опублікована 28-го грудня 1895 року в журналі Вюрцбурзького фізико-медичного товариства. В деяких колах, однак, стверджується, що рентгенівські промені були вже отримані до цього І. П. Пулюєм . Катодолучевая трубка, яку Рентген використовував у своїх експериментах, була розроблена Й. Хітторфом і В. Круксом. При роботі цієї трубки виникають рентгенівські промені. Це було показано в експериментах Крукса [джерело не вказано 1011 днів] і з 1892 року в експериментах Генріха Герца та його учня Пилипа Ленарда через почорніння фотопластинок. Однак ніхто з них не усвідомив значення зробленого ними відкриття та не опублікував своїх результатів.

З цієї причини Рентген не знав про зроблені до нього відкриттях і відкрив промені незалежно - при спостереженні флюоресценції, що виникає при роботі катодолучевой трубки. На деяких мовах (включаючи російську та німецьку) ці промені були названі його ім'ям, незважаючи на його сильні заперечення. Рентген займався Х-променями трохи більше року (з 8 листопада 1895 по березень 1897 року) і опублікував про них три статті, в яких було вичерпний опис нових променів, згодом сотні робіт його послідовників, опублікованих потім протягом 12 років, не могли ні додати, ні змінити нічого істотного. Рентген, що втратив інтерес до Х-променів, говорив своїм колегам: "Я вже все написав, не витрачайте даремно час". Свій внесок до відома Рентгена внесла також знаменита фотографія руки Альберта фон Келікера, яку він опублікував у своїй статті (див. зображення справа). За відкриття рентгенівських променів Рентгену в 1901 році була присуджена перша Нобелівська премія з фізики, причому нобелівський комітет підкреслював практичну важливість його відкриття. В 1896 року, в Росії, вперше було вжито назву "рентгенівські промені" [джерело не вказано 1011 днів]. В інших країнах використовується бажане Рентгеном назва - X-промені , Хоча словосполучення, аналогічні російському, ( англ. Roentgen rays і т.п.) також вживаються. У Росії промені стали називати "рентгенівськими" з ініціативи учня В. К. Рентгена - Абрама Федоровича Йоффе.


Примітки

  1. Рентгенівське випромінювання - www.femto.com.ua/articles/part_2/3422.html - стаття з Фізичної енциклопедії
  2. CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th ed. David R. Lide P.10-227. CRC Press ISBN 0-8493-0475-X
  3. Crystallographica, v1.60a. Oxford Cryosystems 1995-1999.
  4. Юрій Єрін Підтверджена висока відбивна здатність алмаза в діапазоні жорсткого рентгенівського випромінювання - elementy.ru/news/431266. Елементи - новини науки (03.03.2010). Статичний - www.webcitation.org/61Ftiv5nX з першоджерела 27 серпня 2011.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Рентгенівське дзеркало
Велике рентгенівське пляма
Випромінювання
Ультрафіолетове випромінювання
Мікрохвильове випромінювання
Ультрафіолетове випромінювання
Вимушене випромінювання
Спонтанне випромінювання
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru