rendgensko zračenje

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Rendgen ljudskih pluća
Rendgen grudnog koša (frontalna projekcija).

Rentgensko zračenje - fotoni energije elektromagnetnog talasa koji leže u elektromagnetskom spektru između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja (od oko 10 eV do nekoliko MeV), što odgovara talasnim dužinama od ~ 3 do 10 ~ 10 -2 Å (od ~ 10. februara do ~ 10 −3 nm ) [1] .

Položaj na skali elektromagnetnih talasa

Energetski rasponi rendgenskog i gama zračenja preklapaju se u širokom rasponu energija. Obje vrste zračenja su elektromagnetno zračenje i ekvivalentne su istoj energiji fotona. Terminološka razlika leži u načinu nastanka – rendgensko zračenje se emituje uz učešće elektrona (bilo vezanih u atomima , bilo slobodnih), dok se gama zračenje emituje u procesima deekscitacije atomskih jezgara . Fotoni karakterističnih (i.e., emituju tokom tranzicije u elektron školjke atoma) X-ray zračenje imati energetski od 10 eV do 250 keV, koji odgovara zračenje s frekvencijom od 3⋅10 16 do 3⋅10 19 Hz i na talasne dužine od 0,005-100 nm (opšteprihvaćena definicija ne postoji donja granica opsega rendgenskih zraka na skali talasnih dužina). Meki rendgenski zraci imaju najnižu energiju fotona i frekvenciju zračenja (i najveću talasnu dužinu), dok čvrsti rendgenski zraci imaju najveću energiju fotona i frekvenciju zračenja (i najmanju talasnu dužinu). Tvrdi rendgenski zraci se prvenstveno koriste u industrijske svrhe. Konvencionalna granica između mekog i tvrdog rendgenskog zračenja na skali talasnih dužina je oko 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .

Laboratorijski izvori

Rendgenske cijevi

Šematski prikaz rendgenske cijevi. X - X-zraka, K - katodni A - anoda (ponekad se naziva anti-katoda), C - hladnjaka, U h - katoda filament napona , U je - napon ubrzanja, W u - vode za hlađenje na ulazu, W out - voda izlaz za hlađenje

X-zrake nastaju snažnim ubrzanjem nabijenih čestica ( kočno zračenje) ili visokoenergetskim prijelazima u elektronskim omotačima atoma ili molekula . Oba efekta se koriste u rendgenskim cijevima . Glavni strukturni elementi takvih cijevi su metalna katoda i anoda (ranije se zvala i antikatoda ). U rendgenskim cijevima, elektroni koje emituje katoda ubrzavaju se razlikom električnog potencijala između anode i katode (ne emituju se rendgenske zrake, jer je ubrzanje premalo) i udaraju u anodu, gdje se naglo usporavaju. . U ovom slučaju nastaje kočno zračenje u rendgenskom području s kontinuiranim spektrom i istovremeno se izbacuju elektroni iz unutrašnjih elektronskih omotača atoma anode. Ostali elektroni atoma iz njegovih vanjskih omotača kreću se na prazna mjesta (slobodna mjesta) u školjkama, što dovodi do emisije rendgenskih zraka s linearnim energetskim spektrom karakterističnim za anodni materijal ( karakteristično zračenje , čije su frekvencije određene Moseleyjevim zakonom : gdje je Z atomski broj anodnog elementa, A i B su konstante za određenu vrijednost glavnog kvantnog broja n elektronske ljuske). Trenutno se anode izrađuju uglavnom od keramike , a dio gdje elektroni udaraju je od molibdena ili bakra .

Crookes tube

U procesu ubrzanja-usporavanja, samo oko 1 % kinetičke energije elektrona odlazi na X-zrake, 99% energije se pretvara u toplinu.

Akceleratori čestica

X-zrake se također mogu dobiti na akceleratorima nabijenih čestica . Takozvano sinhrotronsko zračenje nastaje kada se snop čestica odbije u magnetskom polju , zbog čega doživljavaju ubrzanje u smjeru okomitom na njihovo kretanje. Sinhrotronsko zračenje ima kontinuirani spektar sa gornjom granicom. Uz odgovarajuće odabrane parametre (magnetno polje i energija čestica), X-zrake se mogu dobiti iu spektru sinhrotronskog zračenja.

Talasna dužina ( nm , u brojiocu) i energija ( eV , u nazivniku) spektralnih linija K-serije za određeni broj anodnih materijala [2]
Simboli linija
(u Sigban notaciji )
Kα₁
(prijelaz L 3 → K)
Kα₂
(prijelaz L 2 → K)
Kβ₁
(prijelaz M 3 → K)
5
(prijelaz M 5 → K)
K (ivica)
Cr 0.22897260 (30) 5414.8045 (71) 0.22936510 (30) 5405.5384 (71) 0.20848810 (40) 5946.823 (11) 0.2070901 (89) 5986.97 (26) 0.2070193 (14) 5989.017 (40)
Fe 0.1936041 (3) 6404.0062 (99) 0.1939973 (3) 6391.0264 (99) 0.1756604 (4) 7058.175 (16) 0.174423 (15) 7108.26 (60) 0.1743617 (5) 7110.747 (20)
Co 0.17889960 (10) 6930.3780 (39) 0.17928350 (10) 6915.5380 (39) 0.16208260 (30) 7649.445 (14) 0.1608934 (44) 7705.98 (21) 0.16083510 (42) 7708.776 (20)
Ni 0.16579300 (10) 7478.2521 (45) 0.16617560 (10) 7461.0343 (45) 0.15001520 (30) 8264.775 (17) 0.1488642 (59) 8328.68 (33) 0.14881401 (36) 8331.486 (20)
Cu 0.154059290 (50) 8047.8227 (26) 0.154442740 (50) 8027.8416 (26) 0.13922340 (60) 8905.413 (38) 0.1381111 (44) 8977.14 (29) 0.13805971 (31) 8980.476 (20)
Zr 0.07859579 (27) 15774.914 (54) 0.07901790 (25) 15690.645 (50) 0.07018008 (30) 17666.578 (76) 0.069591 (15) 17816.1 (38) 0.06889591 (31) 17995.872 (80)
Mo 0.070931715 (41) 17479.372 (10) 0.0713607 (12) 17374.29 (29) 0.0632303 (13) 19608.34 (42) 0.0626929 (74) 19776.4 (23) 0.061991006 (62) 20000.351 (20)
Ag 0.055942178 (76) 22162.917 (30) 0.05638131 (26) 21990.30 (10) 0.04970817 (60) 24942.42 (30) 0.0493067 (30) 25145.5 (15) 0.04859155 (57) 25515.59 (30)
W 0.020901314 (18) 59318.847 (50) 0.021383304 (50) 57981.77 (14) 0.01843768 (30) 67245.0 (11) 0.0183095 (10) 67715.9 (38) 0.0178373 (15) 69508.5 (58)

Interakcija sa supstancom

Talasna dužina rendgenskih zraka je uporediva s veličinom atoma, tako da ne postoji materijal od kojeg bi se napravila rendgenska sočiva . Osim toga, rendgenske zrake se jedva reflektiraju kada su okomite na površinu. Uprkos tome, u rendgenskoj optici pronađene su metode za konstruisanje optičkih elemenata za rendgenske zrake. Posebno se pokazalo da ih dijamant dobro odražava [3] .

X-zrake mogu prodrijeti u materiju, a različite supstance ih apsorbiraju na različite načine. Apsorpcija rendgenskih zraka njihovo je najvažnije svojstvo u rendgenskoj fotografiji. Intenzitet rendgenskih zraka opada eksponencijalno u zavisnosti od udaljenosti prijeđene u apsorbirajućem sloju ( I = I 0 e -kd , gdje je d debljina sloja, koeficijent k je proporcionalan Z ³λ³ , Z je atomski broj elementa , λ je talasna dužina).

Apsorpcija nastaje kao rezultat fotoapsorpcije ( fotoelektrični efekat ) i Comptonovog raspršenja :

  • Fotoapsorpcija se podrazumijeva kao proces izbacivanja elektrona iz ljuske atoma od strane fotona, što zahtijeva da energija fotona bude veća od određene minimalne vrijednosti. Ako uzmemo u obzir vjerojatnost čina apsorpcije ovisno o energiji fotona, onda kada se postigne određena energija, ona (vjerovatnost) naglo raste do svoje maksimalne vrijednosti. Za veće energije, vjerovatnoća se kontinuirano smanjuje. Zbog ove zavisnosti, kaže se da postoji granica apsorpcije . Mjesto elektrona koji je nokautiran tokom čina apsorpcije zauzima drugi elektron, dok se emituje zračenje sa manjom energijom fotona, tzv. fluorescentni proces.
  • Rentgenski foton može komunicirati ne samo sa vezanim elektronima, već i sa slobodnim i slabo vezanim elektronima. Dolazi do rasipanja fotona elektronima - tzv. Comptonovo raspršivanje . U zavisnosti od ugla raspršenja, talasna dužina fotona se povećava za određenu količinu i, shodno tome, energija se smanjuje. Comptonovo rasejanje, u poređenju sa fotoapsorpcijom, postaje dominantno pri većim energijama fotona [4] .

Biološki uticaj

X-zraci jonizuju . Utječe na tkiva živih organizama i može uzrokovati radijacijsku bolest , radijacijske opekotine i maligne tumore . Iz tog razloga, prilikom rada sa rendgenskim zracima moraju se poduzeti zaštitne mjere . Vjeruje se da je šteta direktno proporcionalna apsorbiranoj dozi zračenja. X-zraci su mutageni .

registracija

  • Luminescencijski efekat. X-zrake mogu uzrokovati sjaj nekih tvari (fluorescencija). Ovaj efekat se koristi u medicinskoj dijagnostici za fluoroskopiju (posmatranje slike na fluorescentnom ekranu) i rendgensku fotografiju ( radiografija ). Medicinski fotografski filmovi se po pravilu koriste u kombinaciji sa intenzivirajućim ekranima, koji uključuju rendgenske fosfore, koji svijetle pod djelovanjem rendgenskih zraka i osvjetljavaju fotoosjetljivu fotografsku emulziju . Metoda dobijanja slike u prirodnoj veličini naziva se radiografija. Uz fluorografiju, slika se dobija u smanjenoj skali. Luminescentna supstanca ( scintilator ) se može optički spojiti sa elektronskim detektorom svetlosnog zračenja ( fotomultiplikator , fotodioda , itd.), a dobijeni uređaj se naziva scintilacioni detektor . Omogućava vam da registrirate pojedinačne fotone i izmjerite njihovu energiju, budući da je energija scintilacionog bljeska proporcionalna energiji apsorbiranog fotona.
  • Fotografski efekat. X-zrake, poput obične svjetlosti, mogu direktno osvijetliti fotografsku emulziju. Međutim, bez fluorescentnog sloja, ovo zahtijeva 30-100 puta veću ekspoziciju (tj. dozu). Prednost ove metode (poznate kao radiografija bez ekrana ) je što je slika oštrija.
  • U poluvodičkim detektorima, rendgenski zraci stvaraju parove elektronskih rupa u pn spoju diode povezane u smjeru blokiranja. U tom slučaju teče mala struja čija je amplituda proporcionalna energiji i intenzitetu upadnog rendgenskog zračenja. U impulsnom režimu moguće je registrovati pojedinačne rendgenske fotone i meriti njihovu energiju.
  • Pojedinačni fotoni rendgenskog zračenja mogu se snimiti i pomoću detektora jonizujućeg zračenja punjenih gasom ( Geigerov brojač , proporcionalna komora , itd.).

Aplikacija

  • Uz pomoć rendgenskih zraka moguće je "osvijetliti" ljudsko tijelo, zbog čega je moguće dobiti sliku kostiju , te u savremenim aparatima i unutrašnjim organima (vidi i radiografiju i fluoroskopiju ). U ovom slučaju koristi se činjenica da element kalcij ( Z = 20 ), koji se uglavnom nalazi u kostima, ima atomski broj mnogo veći od atomskih brojeva elemenata koji čine meka tkiva, odnosno vodonika ( Z = 1 ), ugljenik ( Z = 6 ), azot ( Z = 7 ), kiseonik ( Z = 8 ). Pored konvencionalnih uređaja koji daju dvodimenzionalnu projekciju predmeta koji se proučava, postoje kompjuterski tomografi koji vam omogućavaju da dobijete trodimenzionalnu sliku unutrašnjih organa.
  • X - ray terapija je dio terapije zračenjem koja pokriva teoriju i praksu terapeutsku upotrebu X-zraka generira pri naponu na rendgen cijev od 20-60 kV i udaljenost kože fokusna od 3-7 cm (RTG terapija kratkog dometa) ili na naponu od 180-400 kV i žižnoj daljini kože 30-150 cm (eksterna rendgenska terapija). Rentgenska terapija se izvodi uglavnom za površinski locirane tumore i za neke druge bolesti, uključujući kožne bolesti (Bucca ultra-soft X-zrake).
  • Kriptografija je generiranje nasumičnih sekvenci.

Prirodno rendgensko zračenje

Na Zemlji, elektromagnetno zračenje u rendgenskom području nastaje kao rezultat ionizacije atoma zračenjem koje nastaje tokom radioaktivnog raspada, kao rezultat Comptonovog efekta gama zračenja koje se javlja tokom nuklearnih reakcija, kao i kosmičkog zračenja . Radioaktivni raspad također dovodi do direktne emisije rendgenskih kvanta ako uzrokuje preuređenje elektronske ljuske atoma koji se raspada (na primjer, tokom hvatanja elektrona ). Rentgensko zračenje, koje se javlja na drugim nebeskim tijelima, ne dopire do površine Zemlje , jer ga atmosfera potpuno apsorbira. Proučavaju ga satelitski rendgenski teleskopi kao što su Chandra i XMM-Newton .

Osim toga, 1953. godine, sovjetski naučnici su otkrili da se X-zraci mogu generirati zbog triboluminiscencije koja se javlja u vakuumu na mjestu gdje se ljepljiva traka lijepi sa podloge, na primjer, sa stakla ili prilikom odmotavanja rolne [5] [6] [7] . Američki naučnici su 2008. godine proveli eksperimente koji su pokazali da je u nekim slučajevima snaga zračenja dovoljna da ostavi rendgensku sliku na fotografskom papiru [5] [8] .

Istorija otkrića

Fotografija (rendgenski snimak) ruke Alberta von Köllikera koju je napravio V.K.

X-zrake je otkrio Wilhelm Konrad Röntgen . Eksperimentalno proučavajući katodne zrake , uveče 8. novembra 1895. godine, primetio je da je karton prekriven platinasto-plavim barijumom , koji se nalazio u blizini katodne cevi, počeo da svetli u mračnoj prostoriji. Tokom narednih nekoliko sedmica proučavao je sva osnovna svojstva novootkrivenog zračenja, koje je nazvao X-zrake ( „X-zrake“ ). 22. decembra 1895. Röntgen je prvi put javno objavio svoje otkriće na Institutu za fiziku Univerziteta u Würzburgu [9] . 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» [10] .

Но ещё за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение , однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм [ источник не указан 927 дней ] .

По некоторым сообщениям, опубликованным лишь в 1896 году [11] [12] , и в ссылающихся на них источниках [13] , лучи, обладающие фотохимическим действием, были за 11 лет до Рентгена описаны директором и преподавателем физики Бакинского реального училища Егором Семёновичем Каменским [14] (1838—1895), председателем Бакинского кружка любителей фотографии. Секретарь этого кружка А. М. Мишон якобы также проводил опыты в области фотографии, аналогичные рентгеновым. Однако в результате рассмотрения вопроса о приоритете на заседании Комиссии по истории физико-математических наук АН СССР 22 февраля 1949 года было принято решение, «признавая имеющийся в наличии материал по вопросу об открытии Х-лучей недостаточным для обоснования приоритета Каменского, считать желательным продолжить поиски более веских и достоверных данных» [15]

Некоторые источники [13] называют первооткрывателем рентгеновских лучей австро-венгерского физика Ивана Павловича Пулюя (родом из Галиции), который начал интересоваться разрядами в вакуумных трубках за 10 лет до опубликования открытия Рентгеном. По этим утверждениям, Пулюй заметил лучи, которые проникают через непрозрачные предметы и засвечивают фотопластинки. В 1890 году им были якобы получены и даже опубликованы в европейских журналах фотографии скелета лягушки и детской руки, однако дальнейшим изучением лучей и получением патента он не занимался [13] . Это мнение опровергается в посвящённой Пулюю монографии Р. Гайды и Р. Пляцко [16] , где подробно анализируются истоки и развитие этой легенды, и в других работах по истории физики [17] . Пулюй действительно сделал большой вклад в изучение физики рентгеновского излучения и в методику его применения (например, он первым обнаружил появление электропроводности в газах, облучаемых рентгеновскими лучами), но уже после открытия Рентгена [16] .

Катодно-лучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом . При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок [ источник не указан 927 дней ] . Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодно-лучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. Впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёлликера , которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа). За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи , хотя словосочетания, аналогичные русскому ( англ. Roentgen rays и т. п.) также употребляются. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе .

См. также

Научно-популярная литература

Примечания

  1. 1 2 Блохин М.А. Рентгеновское излучение // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — С. 375—377. — 704 с. — 40 000 экз.ISBN 5-85270-087-8 .
  2. Deslattes RD et al. X-Ray Transition Energies Database: NIST Standard Reference Database 128 . September 2005. DOI:10.18434/T4859Z.
  3. Юрий Ерин. Подтверждена высокая отражательная способность алмаза в диапазоне жесткого рентгеновского излучения . Элементы — новости науки (3 марта 2010). Дата обращения: 11 мая 2010. Архивировано 27 августа 2011 года.
  4. Рассеяние рентгеновского излучения на слоистых наносистемах с шероховатыми интерфейсами . — Наносистемы, 2012
  5. 1 2 Липкая лента оказалась источником рентгеновского излучения . Наука и техника . Lenta.ru (23 октября 2008). Дата обращения: 6 июля 2020. Архивировано 24 октября 2008 года.
  6. Карасев В. В., Кротова Н. А., Дерягин Б. В. Исследование электронной эмиссии при отрыве пленки высокополимера от стекла в вакууме // Доклады Академии Наук СССР. — М. , 1953. — Т. 88 , № 5 . — С. 777—780 .
  7. Карасев В. В., Кротова Н. А., Дерягин Б. В. Исследование газового разряда при отрыве пленки высокополимера от твердой подкладки // Доклады Академии Наук СССР. — М. , 1953. — Т. 89 , № 1 . — С. 109—112 .
  8. Kenneth Chang. Scotch Tape Unleashes X-Ray Power (англ.) . The New York Times (23 October 2008). Дата обращения: 6 июля 2020. Архивировано 30 сентября 2017 года.
  9. Манолов К., Тютюнник В. Биография атома. Атом — от Кембриджа до Хиросимы. — Переработанный пер. с болг.. — М. : Мир , 1984. — С. 17—18. — 246 с.
  10. WC Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
  11. « Природа и люди ». — № 28, 1896.
  12. Каспий. — Газета. — Баку, 1896.
  13. 1 2 3 Отечественная рентгенология (недоступная ссылка) . Рентгенодиагностика . Дата обращения: 16 февраля 2019. Архивировано 17 апреля 2012 года.
  14. В некоторых источниках ошибочно назван Евгением.
  15. В Комиссии по истории физико-математических наук // Вестник АН СССР. — 1949. — Т. 19 , вып. 4 . — С. 83—84 .
  16. 1 2 Гайда Р., Пляцко Р. Іван Пулюй. 1845—1918: Життєписно-бібліографічний нарис / Наукове товариство імені Шевченка у Львові / Олег Купчинський (відп. ред.). — Львів. — 1998. — 284 с. — (Визначні діячі НПШ; 7). — На обкл. автор не зазначений. — ISBN 5-7707-8500-4 .
  17. Фіалков Л. Іван Пулюй ніколи не спростовував відкриття Рентгена (укр.) // Вісник НАНУ. — 1996. — Вип. 9—10 . — С. 93—95 .

Ссылки