Rentgeno spindulių naudojimas yra trumpas. Kas yra rentgeno spinduliai – spinduliuotės savybės ir pritaikymas

Rentgeno spinduliai yra nematoma spinduliuotė, kuri, nors ir skirtingu laipsniu, gali prasiskverbti į viską. Tai elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra apie 10-8 cm.

Kaip ir matoma šviesa, nuo rentgeno spindulių fotojuosta pajuoduoja. Ši savybė svarbi medicinai, pramonei ir moksliniams tyrimams. Praeidamas per tiriamą objektą ir tada nukritęs ant fotografinės juostos, rentgeno spinduliuotė vaizduoja jo vidinę struktūrą. Kadangi rentgeno spinduliuotės prasiskverbimo galia skirtingoms medžiagoms skiriasi, objekto dalys, kurios jai yra mažiau skaidrios, nuotraukoje sukuria šviesesnes sritis nei tos, per kurias spinduliuotė prasiskverbia gerai. Taigi, kaulinis audinys yra mažiau skaidrus rentgeno spinduliams nei audinys, sudarantis odą ir vidaus organus. Todėl rentgeno nuotraukoje kaulai atrodys kaip šviesesnės vietos, o lūžio vieta, kuri yra skaidresnė spinduliuotei, gali būti aptikta gana lengvai. Rentgeno spinduliai taip pat naudojami odontologijoje ėduonies ir abscesų aptikimui dantų šaknyse, o pramonėje – liejinių, plastiko ir gumos įtrūkimams aptikti.

Rentgeno spinduliai naudojami chemijoje junginiams analizuoti, o fizikoje – kristalų struktūrai tirti. Rentgeno spindulys, einantis per cheminį junginį, sukuria būdingą antrinę spinduliuotę, kurios spektroskopinė analizė leidžia chemikui nustatyti junginio sudėtį. Kai rentgeno spindulių pluoštas krenta ant kristalinės medžiagos, jį išsklaido kristalo atomai, todėl fotografijos plokštelėje susidaro aiškus, taisyklingas dėmių ir juostelių vaizdas, leidžiantis nustatyti vidinę kristalo struktūrą. .

Rentgeno spindulių naudojimas vėžio gydymui grindžiamas tuo, kad jie naikina vėžines ląsteles. Tačiau jis taip pat gali turėti nepageidaujamą poveikį normalioms ląstelėms. Todėl tokiu būdu naudojant rentgeno spindulius reikia būti labai atsargiems.

Rentgeno spindulių priėmimas

Rentgeno spinduliuotė atsiranda, kai dideliu greičiu judantys elektronai sąveikauja su medžiaga. Kai elektronai susiduria su bet kurios medžiagos atomais, jie greitai praranda kinetinę energiją. Šiuo atveju didžioji jo dalis virsta šiluma, o nedidelė dalis, dažniausiai mažesnė nei 1%, paverčiama rentgeno energija. Ši energija išsiskiria kvantų – dalelių, vadinamų fotonais, pavidalu, kurios turi energiją, bet kurių ramybės masė lygi nuliui. Rentgeno fotonai skiriasi savo energija, kuri yra atvirkščiai proporcinga jų bangos ilgiui. Įprastas rentgeno spindulių gamybos būdas sukuria platų bangos ilgių diapazoną, kuris vadinamas rentgeno spindulių spektru.

Rentgeno vamzdeliai. Norint sukurti rentgeno spindulius elektronams sąveikaujant su medžiaga, reikia turėti elektronų šaltinį, priemones, skirtas jiems pagreitinti iki didelio greičio, ir taikinį, kuris atlaikytų elektronų bombardavimą ir sukurtų reikiamo intensyvumo rentgeno spindulius. Prietaisas, kuriame visa tai yra, vadinamas rentgeno vamzdeliu. Ankstyvieji tyrinėtojai naudojo „giliai evakuotus“ vamzdžius, tokius kaip šiuolaikiniai dujų išleidimo vamzdžiai. Vakuumas juose nebuvo labai didelis.

Iškrovimo vamzdeliuose yra nedideli dujų kiekiai, o kai vamzdžio elektrodams taikomas didelis potencialų skirtumas, dujų atomai paverčiami teigiamais ir neigiamais jonais. Teigiami juda link neigiamo elektrodo (katodo) ir, krisdami ant jo, išmuša iš jo elektronus, o jie savo ruožtu juda link teigiamo elektrodo (anodo) ir jį bombarduodami sukuria rentgeno fotonų srautą. .

Moderniame Coolidge sukurtame rentgeno vamzdyje (11 pav.) elektronų šaltinis yra iki aukštos temperatūros įkaitintas volframo katodas.

Ryžiai. vienuolika.

Dėl didelio potencialų skirtumo tarp anodo (arba antikatodo) ir katodo elektronai greitinami iki didelio greičio. Kadangi elektronai turi pasiekti anodą nesusidurdami su atomais, būtinas labai didelis vakuumas, dėl kurio vamzdis turi būti gerai ištuštintas. Tai taip pat sumažina likusių dujų atomų jonizacijos tikimybę ir dėl to atsirandančias šonines sroves.

Kai bombarduojamas elektronų, volframo antikatodas skleidžia būdingą rentgeno spinduliuotę. Rentgeno spindulio skerspjūvis yra mažesnis nei tikrasis apšvitintas plotas. 1 - elektronų pluoštas; 2 - katodas su fokusuojančiu elektrodu; 3 - stiklo apvalkalas (vamzdis); 4 - volframo taikinys (antikatodas); 5 - katodo siūlas; 6 - faktinis apšvitintas plotas; 7 - efektyvus židinio taškas; 8 - vario anodas; 9 - langas; 10 - išsklaidyta rentgeno spinduliuotė.

Elektronai sufokusuojami ant anodo specialios formos elektrodu, supančiu katodą. Šis elektrodas vadinamas fokusavimo elektrodu ir kartu su katodu sudaro vamzdžio „elektroninį prožektorius“. Elektronais bombarduojamas anodas turi būti pagamintas iš ugniai atsparios medžiagos, nes didžioji dalis bombarduojančių elektronų kinetinės energijos paverčiama šiluma. Be to, pageidautina, kad anodas būtų pagamintas iš medžiagos, turinčios didelį atominį skaičių, nes Rentgeno spinduliuotės išeiga didėja didėjant atominiam skaičiui. Dažniausiai pasirenkama anodo medžiaga – volframas, kurio atominis skaičius yra 74. Rentgeno vamzdžių konstrukcija gali skirtis priklausomai nuo naudojimo sąlygų ir reikalavimų.

Šiuolaikinė medicina diagnozei ir gydymui naudoja daug gydytojų. Kai kurie iš jų buvo naudojami palyginti neseniai, o kiti – jau dešimtis ar net šimtus metų. Taip pat prieš šimtą dešimt metų Williamas Conradas Rentgenas atrado nuostabius rentgeno spindulius, kurie sukėlė didelį rezonansą mokslo ir medicinos pasaulyje. Ir dabar gydytojai visame pasaulyje juos naudoja savo praktikoje. Šiandienos mūsų pokalbio tema bus rentgeno spinduliai medicinoje, jų naudojimą aptarsime kiek plačiau.

Rentgeno spinduliai yra elektromagnetinės spinduliuotės rūšis. Jie pasižymi reikšmingomis prasiskverbimo savybėmis, kurios priklauso nuo spinduliuotės bangos ilgio, taip pat nuo apšvitintų medžiagų tankio ir storio. Be to, rentgeno spinduliai gali sukelti daugelio medžiagų švytėjimą, paveikti gyvus organizmus, jonizuoti atomus, taip pat katalizuoti kai kurias fotochemines reakcijas.

Rentgeno spindulių taikymas medicinoje

Šiandien rentgeno spindulių savybės leidžia jas plačiai naudoti rentgeno diagnostikoje ir rentgeno terapijoje.

Rentgeno diagnostika

Rentgeno diagnostika naudojama atliekant:

Rentgeno spinduliai (radioskopija);
- rentgenografija (vaizdas);
- fluorografija;
- Rentgenas ir kompiuterinė tomografija.

Rentgenas

Norėdami atlikti tokį tyrimą, pacientas turi atsidurti tarp rentgeno vamzdžio ir specialaus fluorescencinio ekrano. Specialistas radiologas parenka reikiamą rentgeno spindulių standumą, ekrane gaudamas vidaus organų, taip pat šonkaulių vaizdą.

Radiografija

Šiam tyrimui atlikti pacientas dedamas ant kasetės, kurioje yra speciali fotojuosta. Rentgeno aparatas yra tiesiai virš objekto. Dėl to ant plėvelės, kurioje yra nemažai smulkių detalių, atsiranda neigiamas vidaus organų vaizdas, detalesnis nei atliekant fluoroskopinį tyrimą.

Fluorografija

Šis tyrimas atliekamas atliekant masinius gyventojų medicininius patikrinimus, įskaitant tuberkuliozės nustatymą. Tokiu atveju paveikslėlis iš didelio ekrano projektuojamas ant specialios juostos.

Tomografija

Atliekant tomografiją, kompiuteriniai spinduliai padeda gauti organų vaizdus keliose vietose vienu metu: specialiai parinktuose audinių skerspjūviuose. Ši rentgeno spindulių serija vadinama tomograma.

Kompiuterinė tomograma

Šis tyrimas leidžia įrašyti žmogaus kūno dalis naudojant rentgeno skaitytuvą. Vėliau duomenys įvedami į kompiuterį ir gaunamas vienas skerspjūvio vaizdas.

Kiekvienas iš išvardytų diagnostikos metodų yra pagrįstas rentgeno spindulio savybėmis apšviesti fotografinę juostą, taip pat tuo, kad žmogaus audiniai ir kaulai skiriasi skirtingu jų poveikio pralaidumu.

Rentgeno terapija

Rentgeno spindulių gebėjimas ypatingu būdu paveikti audinius naudojamas naviko formavimams gydyti. Be to, šios spinduliuotės jonizuojančios savybės ypač pastebimos veikiant ląsteles, kurios gali greitai dalytis. Būtent šiomis savybėmis išskiriamos piktybinių onkologinių darinių ląstelės.

Tačiau verta paminėti, kad rentgeno terapija gali sukelti daug rimtų šalutinių poveikių. Šis poveikis agresyviai veikia kraujodaros, endokrininės ir imuninės sistemos, kurių ląstelės taip pat labai greitai dalijasi, būklei. Agresyvus jų poveikis gali sukelti spindulinės ligos požymius.

Rentgeno spinduliuotės poveikis žmonėms

Tyrinėdami rentgeno spindulius, gydytojai išsiaiškino, kad jie gali sukelti odos pakitimų, panašių į nudegimą saulėje, tačiau kartu su gilesniu odos pažeidimu. Tokios opos gyja labai ilgai. Mokslininkai išsiaiškino, kad tokių traumų galima išvengti sumažinus radiacijos laiką ir dozę, taip pat naudojant specialius ekranavimo ir nuotolinio valdymo būdus.

Agresyvus rentgeno poveikis gali pasireikšti ir ilgainiui: laikinai arba visam laikui kraujo sudėties pokyčiai, polinkis į leukemiją ir ankstyvas senėjimas.

Rentgeno spindulių poveikis žmogui priklauso nuo daugelio veiksnių: koks organas ir kiek laiko švitinamas. Apšvitinus kraujodaros organus gali išsivystyti kraujo ligos, o patekus į lytinius organus – nevaisingumas.

Sistemingas švitinimas yra kupinas genetinių pokyčių organizme.

Tikroji rentgeno spindulių žala rentgeno diagnostikoje

Atlikdami tyrimą, gydytojai naudoja mažiausią įmanomą rentgeno spindulių skaičių. Visos spinduliuotės dozės atitinka tam tikrus priimtinus standartus ir negali pakenkti žmogui. Rentgeno diagnostika kelia didelį pavojų tik ją atliekantiems gydytojams. Ir tada šiuolaikiniai apsaugos metodai padeda sumažinti spindulių agresiją iki minimumo.

Saugiausi rentgeno diagnostikos metodai yra galūnių rentgenografija, taip pat dantų rentgeno spinduliai. Kita vieta šiame reitinge yra mamografija, kompiuterinė tomografija ir radiografija.

Tam, kad rentgeno spindulių naudojimas medicinoje žmonėms duotų tik naudos, tyrimus su jų pagalba būtina atlikti tik esant indikacijai.

Tiriant ir praktiškai naudojant atominius reiškinius, rentgeno spinduliai atlieka vieną iš svarbiausių vaidmenų. Jų tyrimų dėka buvo padaryta daug atradimų ir sukurti medžiagų analizės metodai, naudojami įvairiose srityse. Čia pažvelgsime į vieną rentgeno spindulių rūšį – būdingus rentgeno spindulius.

Rentgeno spindulių prigimtis ir savybės

Rentgeno spinduliuotė – tai aukšto dažnio elektromagnetinio lauko būsenos pokytis, sklindantis erdvėje apie 300 000 km/s greičiu, tai yra elektromagnetinės bangos. Pagal elektromagnetinės spinduliuotės diapazono skalę rentgeno spinduliai yra bangos ilgio srityje nuo maždaug 10–8 iki 5∙10–12 metrų, o tai yra keliomis eilėmis trumpesnė už optines bangas. Tai atitinka dažnius nuo 3∙10 16 iki 6∙10 19 Hz ir energijas nuo 10 eV iki 250 keV arba 1,6∙10 -18 iki 4∙10 -14 J. Reikėtų pažymėti, kad dažnių diapazonų ribos elektromagnetinė spinduliuotė yra gana savavališka dėl jų sutapimo.

Tai pagreitintų įkrautų dalelių (didelės energijos elektronų) sąveika su elektriniais ir magnetiniais laukais bei medžiagos atomais.

Rentgeno fotonams būdinga didelė energija ir didelė skvarba bei jonizuojanti galia, ypač kietiems rentgeno spinduliams, kurių bangos ilgis mažesnis nei 1 nanometras (10–9 m).

Rentgeno spinduliai sąveikauja su medžiaga, jonizuodami jos atomus, fotoelektrinio efekto (fotoabsorbcijos) ir nenuoseklios (Compton) sklaidos procesuose. Fotoabsorbcijos metu rentgeno fotonas, sugertas atomo elektrono, perduoda jam energiją. Jei jo vertė viršija elektrono surišimo energiją atome, tada jis palieka atomą. Komptono sklaida būdinga kietesniems (energetiškiems) rentgeno fotonams. Dalis sugerto fotono energijos išleidžiama jonizacijai; šiuo atveju tam tikru kampu pirminio fotono kryptimi išspinduliuojamas antrinis, mažesnio dažnio.

Rentgeno spinduliuotės tipai. Bremsstrahlung

Sijoms gaminti naudojami stikliniai vakuuminiai cilindrai su viduje esančiais elektrodais. Potencialų skirtumas tarp elektrodų turi būti labai didelis – iki šimtų kilovoltų. Ant volframo katodo, šildomo srovės, atsiranda terminė emisija, tai yra, iš jo išsiskiria elektronai, kurie, pagreitinti potencialų skirtumo, bombarduoja anodą. Dėl jų sąveikos su anodo (kartais vadinamo antikatodu) atomais gimsta rentgeno fotonai.

Priklausomai nuo to, koks procesas veda į fotono susidarymą, išskiriami rentgeno spinduliuotės tipai: bremsstrahlung ir charakteristika.

Susitikę su anodu elektronai gali sulėtėti, tai yra prarasti energiją jo atomų elektriniuose laukuose. Ši energija išspinduliuojama rentgeno fotonų pavidalu. Ši spinduliuotės rūšis vadinama bremsstrahlung.

Akivaizdu, kad atskiriems elektronams stabdymo sąlygos skirsis. Tai reiškia, kad skirtingi jų kinetinės energijos kiekiai paverčiami rentgeno spinduliais. Dėl to bremsstrahlung apima skirtingų dažnių ir atitinkamai bangos ilgių fotonus. Todėl jo spektras yra ištisinis (nepertraukiamas). Kartais dėl šios priežasties ji dar vadinama „baltaisiais“ rentgeno spinduliais.

Brėksmingo fotono energija negali viršyti jį generuojančio elektrono kinetinės energijos, todėl maksimalus spinduliavimo dažnis (ir trumpiausias bangos ilgis) atitinka didžiausią ant anodo krintančių elektronų kinetinės energijos vertę. Pastarasis priklauso nuo potencialų skirtumo, taikomo elektrodams.

Yra ir kita rentgeno spinduliuotės rūšis, kurios šaltinis yra kitoks procesas. Ši spinduliuotė vadinama būdingąja spinduliuote, ir mes apie tai kalbėsime išsamiau.

Kaip atsiranda būdinga rentgeno spinduliuotė?

Pasiekęs antikatodą, greitas elektronas gali prasiskverbti į atomo vidų ir išmušti elektroną iš vienos iš žemesnių orbitų, tai yra, perduoti jam energijos, kurios pakanka potencialo barjerui įveikti. Tačiau jei elektronų užimamame atome yra aukštesni energijos lygiai, išlaisvinta erdvė neliks tuščia.

Reikia atsiminti, kad elektroninė atomo struktūra, kaip ir bet kuri energijos sistema, yra linkusi sumažinti energiją. Dėl išmušimo susidariusi laisva vieta užpildoma elektronu iš vieno iš aukštesnių lygių. Jo energija yra didesnė, o užimdama žemesnį lygį, ji išskiria perteklių būdingos rentgeno spinduliuotės kvanto pavidalu.

Atomo elektroninė struktūra yra atskiras galimų elektronų energijos būsenų rinkinys. Todėl rentgeno fotonai, skleidžiami keičiant elektronų laisvas vietas, taip pat gali turėti tik griežtai apibrėžtas energijos vertes, atspindinčias lygių skirtumą. Dėl to būdinga rentgeno spinduliuotė turi ne ištisinį, o linijos formos spektrą. Šis spektras leidžia apibūdinti anodo medžiagą – iš čia ir kilo šių spindulių pavadinimas. Būtent dėl ​​spektrinių skirtumų aišku, ką reiškia „bremsstrahlung“ ir būdinga rentgeno spinduliuotė.

Kartais energijos perteklių atomas neišskiria, o išleidžiamas trečiajam elektronui išmušti. Šis procesas – vadinamasis Augerio efektas – labiau tikėtina, kai elektronų surišimo energija neviršija 1 keV. Išsiskyrusio Augerio elektrono energija priklauso nuo atomo energijos lygių struktūros, todėl tokių elektronų spektrai taip pat yra diskretiško pobūdžio.

Bendras charakteristikų spektro vaizdas

Rentgeno spindulių spektriniame vaizde yra siauros charakteringos linijos kartu su ištisiniu bremsstrahlung spektru. Jei įsivaizduosime spektrą kaip intensyvumo ir bangos ilgio (dažnio) grafiką, linijų vietose pamatysime aštrius smailes. Jų padėtis priklauso nuo anodo medžiagos. Šie maksimumai yra esant bet kokiam potencialų skirtumui – jei yra rentgeno spindulių, visada būna ir smailių. Didėjant įtampai ant vamzdžių elektrodų, didėja tiek nuolatinės, tiek charakteringos rentgeno spinduliuotės intensyvumas, tačiau smailių vieta ir jų intensyvumo santykis nekinta.

Rentgeno spindulių spektrų smailės turi vienodą išvaizdą, nepaisant elektronų apšvitinto antikatodo medžiagos, tačiau skirtingoms medžiagoms jos yra skirtinguose dažniuose, nuosekliai susijungiančios pagal dažnio verčių artumą. Tarp pačių serijų dažnių skirtumas yra daug reikšmingesnis. Maksimumo tipas jokiu būdu nepriklauso nuo to, ar anodo medžiaga yra grynas cheminis elementas, ar sudėtinga medžiaga. Pastaruoju atveju būdingi jį sudarančių elementų rentgeno spindulių spektrai tiesiog uždedami vienas ant kito.

Didėjant cheminio elemento atominiam skaičiui, visos jo rentgeno spindulių spektro linijos pasislenka aukštesnių dažnių link. Spektras išlaiko savo išvaizdą.

Moseley dėsnis

Būdingų linijų spektrinio poslinkio fenomeną eksperimentiškai atrado anglų fizikas Henry Moseley 1913 m. Tai leido jam susieti spektro maksimumų dažnius su cheminių elementų serijos numeriais. Taigi, būdingos rentgeno spinduliuotės bangos ilgis, kaip paaiškėjo, gali būti aiškiai koreliuojamas su konkrečiu elementu. Apskritai Moseley dėsnį galima parašyti taip: √f = (Z - S n)/n√R, kur f yra dažnis, Z yra elemento serijos numeris, S n yra ekrano konstanta, n yra pagrindinis kvantinis skaičius, o R yra Rydbergo konstanta. Ši priklausomybė yra tiesinė ir Moseley diagramoje atrodo kaip tiesių linijų serija kiekvienai n reikšmei.

n reikšmės atitinka atskiras būdingų rentgeno spinduliuotės smailių serijas. Moseley dėsnis leidžia nustatyti cheminio elemento, apšvitinto kietaisiais elektronais, eilės numerį, remiantis išmatuotais rentgeno spindulių spektro maksimumų bangos ilgiais (jie yra vienareikšmiškai susiję su dažniais).

Cheminių elementų elektroninių apvalkalų struktūra yra identiška. Tai rodo būdingo rentgeno spinduliuotės spektro poslinkio pokyčio monotoniškumas. Dažnio poslinkis atspindi ne struktūrinius, o energijos skirtumus tarp elektronų apvalkalų, būdingus kiekvienam elementui.

Moseley dėsnio vaidmuo atomų fizikoje

Yra nedideli nukrypimai nuo griežto tiesinio ryšio, išreikšto Moseley dėsniu. Jie yra susiję, pirma, su kai kurių elementų elektronų apvalkalų užpildymo tvarkos ypatumais ir, antra, su sunkiųjų atomų elektronų judėjimo reliatyvistiniais efektais. Be to, pasikeitus neutronų skaičiui branduolyje (vadinamasis izotopinis poslinkis), linijų padėtis gali šiek tiek pasikeisti. Šis efektas leido išsamiai ištirti atomo struktūrą.

Moseley dėsnio reikšmė nepaprastai didelė. Jo nuoseklus taikymas Mendelejevo periodinės sistemos elementams sukūrė eilės skaičiaus didinimo modelį, atitinkantį kiekvieną nedidelį būdingų maksimumų poslinkį. Tai padėjo išsiaiškinti eilinio elementų skaičiaus fizinės reikšmės klausimą. Z reikšmė nėra tik skaičius: tai teigiamas branduolio elektrinis krūvis, kuris yra dalelių, sudarančių jo sudėtį, vienetinių teigiamų krūvių suma. Teisingas elementų išdėstymas lentelėje ir tuščių pozicijų buvimas joje (tuomet jos dar egzistavo) sulaukė galingo patvirtinimo. Periodinio įstatymo galiojimas buvo įrodytas.

Be to, Moseley dėsnis tapo pagrindu, kuriuo remiantis atsirado visa eksperimentinių tyrimų kryptis – rentgeno spektrometrija.

Atomo elektronų apvalkalų sandara

Trumpai prisiminkime, kaip yra sudaryta elektronų struktūra. Ją sudaro apvalkalai, žymimi raidėmis K, L, M, N, O, P, Q arba skaičiais nuo 1 iki 7. Elektronai apvalkale pasižymi tuo pačiu pagrindiniu kvantu skaičius n, kuris nustato galimas energijos reikšmes. Išoriniuose apvalkaluose elektronų energija yra didesnė, o išorinių elektronų jonizacijos potencialas atitinkamai mažesnis.

Apvalkalas apima vieną ar daugiau polygių: s, p, d, f, g, h, i. Kiekviename apvalkale polygių skaičius padidėja vienu, palyginti su ankstesniu. Elektronų skaičius kiekviename polygyje ir kiekviename apvalkale negali viršyti tam tikros vertės. Jiems, be pagrindinio kvantinio skaičiaus, būdinga ta pati orbitinio elektronų debesies reikšmė, kuri lemia formą. Polygiai žymimi apvalkalu, kuriam jie priklauso, pavyzdžiui, 2s, 4d ir pan.

Polygyje yra, kurie, be pagrindinio ir orbitinio, yra nurodyti kitu kvantiniu skaičiumi - magnetiniu, kuris lemia elektrono orbitos impulso projekciją į magnetinio lauko kryptį. Viena orbita gali turėti ne daugiau kaip du elektronus, besiskiriančius ketvirtojo kvantinio skaičiaus – sukinio – reikšme.

Leiskite mums išsamiau apsvarstyti, kaip atsiranda būdinga rentgeno spinduliuotė. Kadangi šio tipo elektromagnetinės emisijos kilmė yra susijusi su reiškiniais, vykstančiais atomo viduje, tai patogiausia tiksliai apibūdinti elektroninių konfigūracijų aproksime.

Būdingos rentgeno spinduliuotės generavimo mechanizmas

Taigi šios spinduliuotės priežastis yra elektronų laisvų vietų susidarymas vidiniuose apvalkaluose, kuriuos sukelia didelės energijos elektronų prasiskverbimas giliai į atomą. Tikimybė, kad kietasis elektronas sąveikaus, didėja didėjant elektronų debesų tankiui. Todėl labiausiai tikėtina, kad susidūrimai įvyks sandariai supakuotuose vidiniuose apvalkaluose, pavyzdžiui, žemiausiame K korpuse. Čia atomas jonizuojamas ir 1s apvalkale susidaro laisva vieta.

Šią laisvą vietą užpildo didesnės energijos turintis elektronas iš apvalkalo, kurio perteklių nuneša rentgeno fotonas. Šis elektronas gali „nukristi“ iš antrojo apvalkalo L, iš trečiojo apvalkalo M ir pan. Taip suformuojama charakteristinė serija, šiame pavyzdyje K serija. Nuoroda, iš kur atsiranda elektronas, užpildantis laisvą vietą, pateikiamas graikiško indekso forma serijos pavadinime. „Alfa“ reiškia, kad jis kilęs iš L apvalkalo, „beta“ reiškia, kad jis kilęs iš M apvalkalo. Šiuo metu pastebima tendencija graikiškus raidžių indeksus pakeisti lotyniškais, priimtais žymėti kriaukles.

Alfa linijos intensyvumas serijoje visada yra didžiausias - tai reiškia, kad tikimybė užpildyti laisvą vietą iš gretimo apvalkalo yra didžiausia.

Dabar galime atsakyti į klausimą, kokia yra didžiausia būdingos rentgeno spinduliuotės kvanto energija. Jis nustatomas pagal lygių, tarp kurių vyksta elektronų perėjimas, energijos verčių skirtumą pagal formulę E = E n 2 - E n 1, kur E n 2 ir E n 1 yra elektroninės energijos būsenos, tarp kurių įvyko perėjimas. Didžiausią šio parametro reikšmę suteikia K serijos perėjimai iš aukščiausių sunkiųjų elementų atomų lygių. Tačiau šių linijų intensyvumas (smailių aukštis) yra mažiausias, nes jos yra mažiausiai tikėtinos.

Jei dėl nepakankamos įtampos elektroduose kietasis elektronas negali pasiekti K lygio, tai L lygyje susidaro laisvoji vieta ir susidaro mažiau energinga L serija, kurios bangos ilgiai yra ilgesni. Panašiai gimsta ir vėlesnės serijos.

Be to, kai laisva vieta užpildoma elektroniniu būdu, viršutiniame apvalkale atsiranda nauja laisva vieta. Tai sudaro sąlygas generuoti kitą seriją. Elektronų laisvos vietos juda aukščiau iš vieno lygio į kitą, o atomas išspinduliuoja būdingų spektrinių eilučių kaskadą, likdamas jonizuotas.

Smulki būdingų spektrų struktūra

Būdingos rentgeno spinduliuotės atominiai rentgeno spektrai pasižymi smulkia struktūra, kuri, kaip ir optiniuose spektruose, išreiškiama linijos skilimu.

Smulki struktūra susidaro dėl to, kad energijos lygis – elektronų apvalkalas – yra glaudžiai išsidėsčiusių komponentų – subapvalkų – rinkinys. Norint apibūdinti posluoksnius, įvedamas kitas vidinis kvantinis skaičius j, atspindintis paties elektrono ir orbitos magnetinių momentų sąveiką.

Dėl sukinio-orbitos sąveikos atomo energetinė struktūra tampa sudėtingesnė, todėl būdinga rentgeno spinduliuotė turi spektrą, kuriam būdingos suskaidytos linijos su labai arti išdėstytais elementais.

Smulkios struktūros elementai paprastai žymimi papildomais skaitmeniniais indeksais.

Būdinga rentgeno spinduliuotė turi savybę, atsispindinčią tik smulkioje spektro struktūroje. Elektrono perėjimas į žemesnį energijos lygį nevyksta iš aukštesnio lygio apatinio posluoksnio. Tokio įvykio tikimybė yra nereikšminga.

Rentgeno spindulių panaudojimas spektrometrijoje

Ši spinduliuotė dėl savo savybių, aprašytų Moseley dėsnio, yra įvairių rentgeno spindulių spektrinių metodų, skirtų medžiagoms analizuoti, pagrindas. Analizuojant rentgeno spektrą, naudojama arba spinduliuotės difrakcija ant kristalų (bangų dispersinis metodas), arba detektoriai, jautrūs sugertų rentgeno fotonų energijai (energijos dispersinis metodas). Dauguma elektroninių mikroskopų turi tam tikrus rentgeno spindulių spektrometrijos priedus.

Bangų dispersinė spektrometrija yra ypač tiksli. Naudojant specialius filtrus, išryškinamos intensyviausios spektro smailės, todėl galima gauti beveik monochromatinę tiksliai žinomo dažnio spinduliuotę. Anodo medžiaga parenkama labai kruopščiai, kad būtų gautas norimo dažnio monochrominis pluoštas. Jo difrakcija ant tiriamos medžiagos kristalinės gardelės leidžia labai tiksliai ištirti gardelės struktūrą. Šis metodas taip pat naudojamas tiriant DNR ir kitas sudėtingas molekules.

Gama spektrometrijoje taip pat atsižvelgiama į vieną iš būdingos rentgeno spinduliuotės ypatybių. Tai didelio intensyvumo būdingas pikas. Gama spektrometrai naudoja švino ekraną nuo išorinės foninės spinduliuotės, kuri trukdo matavimams. Tačiau švinas, sugeriantis gama spindulius, patiria vidinę jonizaciją, dėl kurios jis aktyviai spinduliuoja rentgeno spindulių diapazone. Intensyvioms švino rentgeno spinduliuotės smailėms sugerti naudojamas papildomas kadmio ekranavimas. Jis, savo ruožtu, yra jonizuotas ir taip pat skleidžia rentgeno spindulius. Būdingoms kadmio smailėms neutralizuoti naudojamas trečiasis ekranavimo sluoksnis – varis, kurio rentgeno spindulių maksimumai yra už gama spektrometro veikimo dažnių diapazono ribų.

Spektrometrija naudoja ir bremsstrahlung, ir būdingus rentgeno spindulius. Taigi, analizuojant medžiagas, tiriami įvairių medžiagų nuolatinių rentgeno spindulių sugerties spektrai.

Rentgeno spinduliuotė atsiranda, kai dideliu greičiu judantys elektronai sąveikauja su medžiaga. Kai elektronai susiduria su bet kurios medžiagos atomais, jie greitai praranda kinetinę energiją. Šiuo atveju didžioji jo dalis virsta šiluma, o nedidelė dalis, dažniausiai mažesnė nei 1%, paverčiama rentgeno energija. Ši energija išsiskiria kvantų – dalelių, vadinamų fotonais, pavidalu, kurios turi energiją, bet kurių ramybės masė lygi nuliui. Rentgeno fotonai skiriasi savo energija, kuri yra atvirkščiai proporcinga jų bangos ilgiui. Įprastas rentgeno spindulių gavimo būdas sukuria platų bangos ilgių diapazoną, kuris vadinamas rentgeno spindulių spektru. Spektre yra ryškūs komponentai, kaip parodyta Fig. 1.

Ryžiai. 1. Įprastą rentgeno spindulių spektrą sudaro ištisinis spektras (kontinuumas) ir būdingos linijos (aštrios smailės). Kia ir Kib linijos atsiranda dėl pagreitintų elektronų sąveikos su vidinio K apvalkalo elektronais.

Platus „kontinuumas“ vadinamas nuolatiniu spektru arba baltąja spinduliuote. Ant jo esančios aštrios smailės vadinamos būdingomis rentgeno spinduliuotės linijomis. Nors visas spektras yra elektronų susidūrimo su medžiaga rezultatas, jo plačios dalies ir linijų atsiradimo mechanizmai skiriasi. Medžiaga susideda iš daugybės atomų, kurių kiekvienas turi branduolį, apsuptą elektronų apvalkalų, o kiekvienas tam tikro elemento atomo apvalkalo elektronas užima tam tikrą atskirą energijos lygį. Paprastai šie apvalkalai arba energijos lygiai žymimi simboliais K, L, M ir kt., pradedant nuo arčiausiai branduolio esančio apvalkalo. Kai krentantis pakankamai didelės energijos elektronas susiduria su vienu iš elektronų, susijusių su atomu, jis išmuša tą elektroną iš apvalkalo. Tuščią erdvę užima kitas elektronas iš apvalkalo, kuris atitinka didesnę energiją. Pastarasis išskirdamas rentgeno fotoną atiduoda energijos perteklių. Kadangi apvalkalo elektronai turi atskiras energijos vertes, gaunami rentgeno fotonai taip pat turi atskirą spektrą. Tai atitinka aštrius tam tikrų bangų ilgių smailes, kurių konkrečios vertės priklauso nuo tikslinio elemento. Būdingos linijos sudaro K, L ir M serijas, priklausomai nuo to, iš kurio apvalkalo (K, L arba M) elektronas buvo pašalintas. Ryšys tarp rentgeno bangos ilgio ir atominio skaičiaus vadinamas Moseley dėsniu (2 pav.).

Ryžiai. 2. Cheminių elementų skleidžiamos CHARAKTERISTINĖS RENTGENS SPINDULIO BANGOS ILGIS priklauso nuo elemento atominio skaičiaus. Kreivė atitinka Moseley dėsnį: kuo didesnis elemento atominis skaičius, tuo trumpesnis charakteringos linijos bangos ilgis.

Jei elektronas susiduria su gana sunkiu branduoliu, jis sulėtėja, o jo kinetinė energija išsiskiria maždaug tokios pat energijos rentgeno fotono pavidalu. Jei jis praskris pro branduolį, jis praras tik dalį savo energijos, o likusi dalis bus perduota kitiems atomams, kurie atsidurs jo kelyje. Kiekvienas energijos praradimo veiksmas sukelia tam tikros energijos fotono emisiją. Atsiranda ištisinis rentgeno spektras, kurio viršutinė riba atitinka greičiausio elektrono energiją. Tai yra nepertraukiamo spektro susidarymo mechanizmas, o didžiausia energija (arba minimalus bangos ilgis), fiksuojanti ištisinio spektro ribą, yra proporcinga greitėjimo įtampai, kuri lemia krintančių elektronų greitį. Spektro linijos apibūdina bombarduojamo taikinio medžiagą, o ištisinį spektrą lemia elektronų pluošto energija ir jis praktiškai nepriklauso nuo taikinio medžiagos.

Rentgeno spinduliuotę galima gauti ne tik elektroniniu bombardavimu, bet ir taikinį apšvitinant kito šaltinio rentgeno spinduliuote. Tačiau šiuo atveju didžioji dalis krentančio pluošto energijos patenka į būdingą rentgeno spindulių spektrą, o labai maža jos dalis patenka į ištisinį spektrą. Akivaizdu, kad krintančios rentgeno spinduliuotės pluošte turi būti fotonų, kurių energijos pakaktų sužadinti būdingoms bombarduojamo elemento linijoms. Didelis energijos procentas būdingam spektrui daro šį rentgeno spinduliuotės sužadinimo metodą patogų moksliniams tyrimams.

Rentgeno vamzdeliai. Norint sukurti rentgeno spindulius elektronams sąveikaujant su medžiaga, reikia turėti elektronų šaltinį, priemones, skirtas jiems pagreitinti iki didelio greičio, ir taikinį, kuris atlaikytų elektronų bombardavimą ir sukurtų reikiamo intensyvumo rentgeno spindulius. Prietaisas, kuriame visa tai yra, vadinamas rentgeno vamzdeliu. Ankstyvieji tyrinėtojai naudojo „giliai evakuotus“ vamzdžius, tokius kaip šiuolaikiniai dujų išleidimo vamzdžiai. Vakuumas juose nebuvo labai didelis.

Iškrovimo vamzdeliuose yra nedideli dujų kiekiai, o kai vamzdžio elektrodams taikomas didelis potencialų skirtumas, dujų atomai paverčiami teigiamais ir neigiamais jonais. Teigiami juda link neigiamo elektrodo (katodo) ir, krisdami ant jo, išmuša iš jo elektronus, o jie savo ruožtu juda link teigiamo elektrodo (anodo) ir jį bombarduodami sukuria rentgeno fotonų srautą. .

Moderniame Coolidge sukurtame rentgeno vamzdyje (3 pav.) elektronų šaltinis yra iki aukštos temperatūros įkaitintas volframo katodas. Dėl didelio potencialų skirtumo tarp anodo (arba antikatodo) ir katodo elektronai greitinami iki didelio greičio. Kadangi elektronai turi pasiekti anodą nesusidurdami su atomais, būtinas labai didelis vakuumas, dėl kurio vamzdis turi būti gerai ištuštintas. Tai taip pat sumažina likusių dujų atomų jonizacijos tikimybę ir dėl to atsirandančias šonines sroves.

Ryžiai. 3. COOLIDGE rentgeno vamzdelis. Kai bombarduojamas elektronų, volframo antikatodas skleidžia būdingą rentgeno spinduliuotę. Rentgeno spindulio skerspjūvis yra mažesnis nei tikrasis apšvitintas plotas. 1 - elektronų pluoštas; 2 - katodas su fokusuojančiu elektrodu; 3 - stiklo apvalkalas (vamzdis); 4 - volframo taikinys (antikatodas); 5 - katodo siūlas; 6 - faktinis apšvitintas plotas; 7 - efektyvus židinio taškas; 8 - vario anodas; 9 - langas; 10 - išsklaidyta rentgeno spinduliuotė.

Elektronai sufokusuojami ant anodo specialios formos elektrodu, supančiu katodą. Šis elektrodas vadinamas fokusavimo elektrodu ir kartu su katodu sudaro vamzdžio „elektroninį prožektorius“. Elektronais bombarduojamas anodas turi būti pagamintas iš ugniai atsparios medžiagos, nes didžioji dalis bombarduojančių elektronų kinetinės energijos paverčiama šiluma. Be to, pageidautina, kad anodas būtų pagamintas iš medžiagos, turinčios didelį atominį skaičių, nes Rentgeno spinduliuotės išeiga didėja didėjant atominiam skaičiui. Anodo medžiaga dažniausiai pasirenkamas volframas, kurio atominis skaičius yra 74.

Rentgeno vamzdžių konstrukcija gali skirtis priklausomai nuo taikymo sąlygų ir reikalavimų.

1895 metais vokiečių fizikas W. Rentgenas atrado naują, anksčiau nežinomą elektromagnetinės spinduliuotės rūšį, kuri atradėjo garbei buvo pavadinta rentgenu. V. Rentgenas savo atradimo autoriumi tapo būdamas 50 metų, eidamas Viurcburgo universiteto rektoriaus pareigas ir turėdamas vieno geriausių savo laiko eksperimentuotojų reputaciją. Vienas pirmųjų, suradusių techninį pritaikymą rentgeno spindulių atradimui, buvo amerikietis Edisonas. Jis sukūrė patogų demonstracinį aparatą ir jau 1896 m. gegužę Niujorke surengė rentgeno parodą, kurioje šviečiančiame ekrane lankytojai galėjo apžiūrėti savo ranką. Po to, kai Edisono padėjėjas mirė nuo sunkių nudegimų, kuriuos jis gavo nuolatinių demonstracijų metu, išradėjas sustabdė tolesnius eksperimentus su rentgeno spinduliais.

Rentgeno spinduliuotė buvo pradėta naudoti medicinoje dėl didelio jos prasiskverbimo. Iš pradžių rentgeno spinduliais buvo tiriami kaulų lūžiai ir nustatoma svetimkūnių vieta žmogaus organizme. Šiuo metu yra keletas metodų, pagrįstų rentgeno spinduliuote. Tačiau šie metodai turi trūkumų: spinduliuotė gali giliai pažeisti odą. Atsiradusios opos dažnai virsdavo vėžiu. Daugeliu atvejų tekdavo amputuoti pirštus ar rankas. Rentgenas(transiliuminacijos sinonimas) yra vienas iš pagrindinių rentgeno tyrimo metodų, kurių metu gaunamas plokštuminis teigiamas tiriamo objekto vaizdas permatomame (fluorescenciniame) ekrane. Fluoroskopijos metu tiriamasis yra tarp permatomo ekrano ir rentgeno vamzdelio. Šiuolaikiniuose rentgeno spindulių perdavimo ekranuose vaizdas atsiranda įjungus rentgeno vamzdelį ir dingsta iškart jį išjungus. Fluoroskopija leidžia ištirti organo funkciją – širdies pulsavimą, šonkaulių, plaučių, diafragmos kvėpavimo judesius, virškinamojo trakto peristaltiką ir kt. Fluoroskopija naudojama skrandžio, virškinamojo trakto, dvylikapirštės žarnos, kepenų, tulžies pūslės ir tulžies takų ligoms gydyti. Tokiu atveju medicininis zondas ir manipuliatoriai įvedami nepažeidžiant audinių, o veiksmai operacijos metu kontroliuojami fluoroskopija ir matomi monitoriuje.
Rentgenas - Rentgeno diagnostikos metodas su nejudančio vaizdo registravimu šviesai jautrioje medžiagoje – specialus. fotojuosta (rentgeno juosta) arba fotopopierius su tolesniu nuotraukų apdorojimu; Su skaitmenine rentgenografija vaizdas įrašomas į kompiuterio atmintį. Atliekama rentgeno diagnostikos aparatais – stacionariais, sumontuotais specialiai įrengtose rentgeno kabinetuose arba mobiliaisiais ir nešiojamaisiais – prie paciento lovos arba operacinėje. Rentgeno spinduliai daug aiškiau nei fluorescencinis ekranas parodo įvairių organų struktūrinius elementus. Rentgeno spinduliai atliekami įvairių ligų nustatymui ir profilaktikai, jos pagrindinis tikslas – padėti įvairių specialybių gydytojams teisingai ir greitai nustatyti diagnozę. Rentgeno nuotrauka užfiksuoja organo ar audinio būklę tik fotografavimo metu. Tačiau viena rentgenograma fiksuoja tik anatominius pokyčius tam tikru momentu, suteikia statinį procesą; per tam tikrais intervalais daromą rentgenogramų seriją galima ištirti proceso dinamiką, tai yra funkcinius pokyčius. Tomografija.Žodis tomografija gali būti išverstas iš graikų kalbos kaip „vaizdo gabalas“. Tai reiškia, kad tomografijos tikslas – gauti sluoksnį po sluoksnio tiriamo objekto vidinės sandaros vaizdą. Kompiuterinė tomografija pasižymi didele raiška, leidžiančia atskirti subtilius minkštųjų audinių pakitimus. KT leidžia aptikti patologinius procesus, kurių negalima nustatyti kitais metodais. Be to, naudojant KT, galima sumažinti rentgeno spinduliuotės dozę, kurią pacientai gauna diagnostikos proceso metu.
Fluorografija- XX amžiaus pabaigoje, praėjus metams po rentgeno spindulių atradimo, buvo sukurtas diagnostinis metodas, leidžiantis gauti organų ir audinių vaizdus. Nuotraukose matosi sklerozė, fibrozė, svetimkūniai, neoplazmos, išsivysčiusio laipsnio uždegimai, dujų buvimas ir infiltracija ertmėse, pūliniai, cistos ir pan. Dažniausiai krūtinės ląstos fluorografija atliekama siekiant nustatyti tuberkuliozę, piktybinį naviką plaučiuose ar krūtinėje ir kitas patologijas.
Rentgeno terapija yra modernus metodas, naudojamas tam tikroms sąnarių patologijoms gydyti. Pagrindinės ortopedinių ligų gydymo šiuo metodu sritys yra: Lėtinės. Sąnarių uždegiminiai procesai (artritas, poliartritas); Degeneracinės (osteoartrozė, osteochondrozė, deformacinė spondilozė). Radioterapijos tikslas yra patologiškai pakitusių audinių ląstelių gyvybinės veiklos slopinimas arba visiškas jų sunaikinimas. Nenavikinėms ligoms spindulinis gydymas skirtas uždegiminės reakcijos slopinimui, proliferacinių procesų slopinimui, skausmo jautrumo ir liaukų sekrecinio aktyvumo mažinimui. Reikia atsižvelgti į tai, kad rentgeno spinduliams jautriausios lytinės liaukos, kraujodaros organai, leukocitai, piktybinių navikų ląstelės. Apšvitos dozė kiekvienu konkrečiu atveju nustatoma individualiai.

Už rentgeno spindulių atradimą Rentgenas 1901 metais buvo apdovanotas pirmąja Nobelio fizikos premija, o Nobelio komitetas pabrėžė praktinę jo atradimo svarbą.
Taigi rentgeno spinduliai yra nematoma elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 105 - 102 nm. Rentgeno spinduliai gali prasiskverbti į kai kurias medžiagas, kurios yra nepermatomos matomai šviesai. Jie išsiskiria greitųjų elektronų lėtėjimo medžiagoje metu (nuolatinis spektras) ir elektronams pereinant iš išorinių atomo elektronų apvalkalų į vidinius (linijinis spektras). Rentgeno spinduliuotės šaltiniai yra: rentgeno vamzdis, kai kurie radioaktyvieji izotopai, greitintuvai ir elektronų saugojimo įrenginiai (sinchrotroninė spinduliuotė). Imtuvai – fotojuostos, fluorescenciniai ekranai, branduolinės spinduliuotės detektoriai. Rentgeno spinduliai naudojami rentgeno spindulių difrakcinėje analizėje, medicinoje, defektų aptikimui, rentgeno spektrinei analizei ir kt.