Рентгенівське випромінювання, Наука, FANDOM powered by Wikia

Рентгенівське випромінювання— електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких лежить на шкалі електромагнітних хвиль між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням, що відповідає довжинам хвиль від 10 −2 до 10 2 Å (від 10 −12 до 10 −8 м ) [1] .

Зміст

Положення на шкалі електромагнітних хвиль

Енергетичні діапазони рентгенівського випромінювання та гамма-випромінювання перекриваються у широкій області енергій. Обидва типи випромінювання є електромагнітним випромінюванням і за однакової енергії фотонів — еквівалентні. Термінологічна відмінність лежить у способі виникнення - рентгенівські промені випромінюються за участю електронів (або пов'язаних в атомах, або вільних) у той час як гамма-випромінювання випромінюється в процесах дезбудження атомних ядер. Фотони рентгенівського випромінювання мають енергію від 100 еВ до 250 кеВ , що відповідає випромінюванню з частотою від 3×10 16 до 6×10 19 Гц і довжиною хвилі 0,005—10 нм (загальновизнаного визначення нижньої межі діапазону рентгенівських . М'яке рентгенівське випромінювання характеризується найменшою енергією фотона та частотою випромінювання (і найбільшою довжиною хвилі), а жорстке рентгенівське випромінювання має найбільшу енергію фотона та частоту випромінювання (і найменшу довжину хвилі). Жорстке рентгенівське випромінювання використовується переважно у промислових цілях.

Лабораторні джерела

Рентгенівські трубки

Рентгенівські промені виникають при сильному прискоренні заряджених частинок (гальмівне випромінювання) або високоенергетичних переходах в електронних оболонках атомів або молекул. Обидва ефекти використовуються у рентгенівських трубках. Основними конструктивними елементами таких трубок єметалеві катод і анод (раніше називався також антикатодом ). У рентгенівських трубках електрони, випущені катодом, прискорюються під дією різниці електричних потенціалів між анодом і катодом (при цьому рентгенівські промені не випромінюються, тому що прискорення занадто мало) і ударяються об анод, де відбувається їхнє різке гальмування. При цьому 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), $ деZ- атомний номер елемента анода,AіB- константи для певного значення головного квантового числа (10>n електронної оболонки). В даний час аноди виготовляються головним чином з кераміки, причому та їх частина, куди вдаряють електрони, - з молібдену або міді.

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

Прискорювачі частинок

Рентгенівське випромінювання можна також одержувати і на прискорювачах заряджених частинок. Так зване синхротронне випромінювання виникає при відхиленні пучка частинок в магнітному полі, в результаті чого вони відчувають прискорення в напрямку, перпендикулярному їхньому руху. Синхротронне випромінювання має суцільний спектр з верхнім кордоном. При відповідним чином вибраних параметрах (величина магнітного поля та енергія частинок) у спектрі синхротронного випромінювання можна отримати рентгенівські промені.

Взаємодія зречовиною

Довжина хвилі рентгенівських променів можна порівняти з розмірами атомів, тому немає матеріалу, з якого можна було б виготовити лінзу для рентгенівських променів. Крім того, при перпендикулярному падінні на поверхню рентгенівські промені майже не відображаються. Незважаючи на це, у рентгенівській оптиці було знайдено способи побудови оптичних елементів для рентгенівських променів. Зокрема, з'ясувалося, що їх добре відбиває алмаз [4] .

Рентгенівські промені можуть проникати крізь речовину, причому різні речовини по-різному їх поглинають. Поглинання рентгенівських променів є найважливішою їх властивістю у рентгенівській зйомці. Інтенсивність рентгенівських променів експоненційно зменшується в залежності від пройденого шляху в поглинаючому шарі (I = I0e-kd, деd— товщина шару, коефіцієнтkпропорційнийZ³λ³ ,Z— атомний номер елемента, λ — довжина хвилі).

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

Підфотопоглинаннямрозуміється процес вибивання фотоном електрона з оболонки атома, для чого потрібно, щоб енергія фотона була більшою за деяке мінімальне значення. Якщо розглядати ймовірність акта поглинання в залежності від енергії фотона, то при досягненні певної енергії вона різко зростає до свого максимального значення. Для більш високих значень енергії можливість безперервно зменшується. Через таку залежність кажуть, що існуєкордон поглинання. Місце вибитого при акті поглинання електрона займає інший електрон, при цьому випромінюється випромінювання з меншою енергією фотона, відбувається т.з. процес флуоресценції.
Рентгенівський фотон може взаємодіятияк зі зв'язаними електронами, а й із вільними, і навіть слабосвязанными електронами. Відбувається розсіювання фотонів на електронах - т.з.комптонівське розсіювання. Залежно від кута розсіювання довжина хвилі фотона збільшується на певну величину і, відповідно, енергія зменшується. Комптонівське розсіювання, в порівнянні з фотопоглинанням, стає переважним при більш високих енергіях фотона [5] .

Біологічний вплив

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

Реєстрація Правити

Ефект люмінесценції. Рентгенівські промені здатні викликати у деяких речовин свічення (флюоресценцію). Цей ефект використовується в медичній діагностиці при рентгеноскопії (спостереження зображення на флюоресцентному екрані) та рентгенівській зйомці (рентгенографії). Медичні фотоплівки, як правило, застосовуються в комбінації з підсилюючими екранами, до складу яких входять рентгенолюмінофори, що світяться під дією рентгенівського випромінювання та засвічують світлочутливу фотоемульсію. Метод отримання зображення у натуральну величину називається рентгенографією. При флюорографії зображення виходить у зменшеному масштабі. Люмінесцентну речовину (сцинтилятор) можна оптично з'єднати з електронним детектором світлового випромінювання (фотоелектронний помножувач, фотодіод тощо), отриманий прилад називається сцинтиляційним детектором. Він дозволяєреєструвати окремі фотони та вимірювати їхню енергію, оскільки енергія сцинтиляційного спалаху пропорційна енергії поглиненого фотона.
Фотографічний ефект. Рентгенівські промені, як і звичайне світло, здатні безпосередньо засвічувати фотографічну емульсію. Однак без флюоресцентного шару для цього потрібна у 30-100 разів більша експозиція (тобто доза). Перевагою цього методу (відомого під назвою безекранна рентгенографія) є велика різкість зображення.
У напівпровідникових детекторах рентгенівські промені виробляють пари електрон-дірка в p-n-переходідіода, включеного в замикаючому напрямку. При цьому протікає невеликий струм, амплітуда якого пропорційна енергії та інтенсивності рентгенівського випромінювання. В імпульсному режимі можлива реєстрація окремих рентгенівських фотонів та вимірювання їхньої енергії.
Окремі фотони рентгенівського випромінювання можуть бути зареєстровані за допомогою газонаповнених детекторів іонізуючого випромінювання (лічильник Гейгера, пропорційна камера та ін.).

Застосування

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

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

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

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

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

Рентгенотерапія - розділ променевої терапії, що охоплює теорію і практику лікувального застосування рентгенівських променів, що генеруються при напрузі на рентгенівській трубці 20-60 кВ і шкірно-фокусній відстані 3-7 см (короткодистанційна рентгенотерапія) або при напруженні 30-150 см (дистанційна рентгенотерапія). Рентгенотерапію проводять переважно при поверхнево розташованих пухлинах і при деяких інших захворюваннях, у тому числі захворюваннях шкіри (ультрам'які рентгенівські промені Буккі).

Природне рентгенівськевипромінювання

На Землі електромагнітне випромінювання в рентгенівському діапазоні утворюється в результаті іонізації атомів випромінюванням, що 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 атома, що розпадається (наприклад, при електронному захопленні). Рентгенівське випромінювання, що виникає інших небесних тілах, не досягає поверхні Землі, оскільки повністю поглинається атмосферою. Воно досліджується супутниковими рентгенівськими телескопами, такими як "Чандра" та "XMM-Ньютон".

Історія відкриття

Але ще за 8 років до цього — в 1887 році Нікола Тесла в щоденникових записах зафіксував результати дослідження рентгенівських променів [джерело не вказано 2322 дня] і гальмівне випромінювання, що випускається ними, проте ні Тесла, ні його оточення не надали серйозне значення цих спостережень. Крім цього, вже тоді Тесла припустив небезпеку тривалого впливу рентгенівських променів на організм людини.