Меню
Головнарадіатори

Характеристичне рентгенівське випромінювання: опис, дія, особливості. Історія відкриття і області застосування рентгенівського випромінювання Як виходить рентгенівське випромінювання

Хоча вчені відкрили ефект рентгена тільки починаючи з 1890-х, застосування рентгенівського випромінювання в медицині для цієї природної сили минуло швидко. Сьогодні на благо людства рентгенівське електромагнітне випромінювання використовується в медицині, наукових колах і промисловості, а також для генерації електроенергії.

Крім того випромінювання має корисні додатки в таких областях, як сільське господарство, археологія, космос, робота на правоохоронні органи, геологія (включаючи гірничодобувну промисловість) і багато інших видів діяльності, навіть розробляються автомобілі із застосуванням явища ядерного ділення.

Медичне використання рентгенівського випромінювання

У медичних установах лікарі і стоматологи використовують різні ядерні матеріали і процедури для діагностики, моніторингу та лікування широкого асортименту метаболічних процесів і захворювань в організмі людини. В результаті медичні процедури з використанням променів врятували тисячі життів шляхом виявлення і лікування захворювань, починаючи від гіперфункції щитовидної залози до раку кістки.

Найбільш поширені з цих медичних процедур включають використання променів, які можуть пройти через нашу шкіру. Коли робиться знімок, наші кістки і інші структури як би відкидають тіні, тому що вони щільніше, ніж наша шкіра, і ці тіні можуть бути виявлені на плівці або екрані монітора. Ефект схожий на розміщення олівця між аркушем паперу і світлом. Тінь від олівця буде видна на аркуші паперу. Різниця полягає в тому, що промені невидимі, так що необхідний реєструючий елемент, щось типу фотоплівки. Це дозволяє лікарям і стоматологам оцінити застосування рентгенівського випромінювання побачивши зламані кістки або проблеми з зубами.

Застосування рентгенівського випромінювання в лікувальних цілях

Застосування рентгенівського випромінювання цільовим чином в лікувальних цілях не тільки для виявлення пошкоджень. При спеціалізованому використанні, воно призначене, щоб убити ракові тканини, зменшити розмір пухлини або зменшити біль. Наприклад, радіоактивний йод (зокрема йод-131) часто використовується для лікування раку щитовидної залози, від захворювання від якої страждає багато людей.

Апарати використовують цю властивість також підключаються до комп'ютерів і сканують, називаючись: комп'ютерна осьова томографія або комп'ютерна томографія.

Ці інструменти забезпечують лікарям кольорове зображення, яке показує обриси і деталі внутрішніх органів. Це допомагає лікарям виявляти і ідентифікувати пухлини, розмір аномалій або інші проблеми фізіологічних або функціональних органів.
Крім того лікарні та радіологічні центри виконують мільйони процедур щорічно. В таких процедурах лікарі запускають злегка радіоактивні речовини в тіло пацієнтів, щоб подивитися деякі внутрішні органи, наприклад, підшлункову залозу, нирки, щитовидну залозу, печінку або головний мозок, для діагностики клінічних умов.

Рентгенівські промені були виявлені випадково в 1895 році знаменитим німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Він вивчав катодні промені в газорозрядної трубці низького тиску при високій напрузі між її електродами. Незважаючи на те, що трубка перебувала в чорному ящику, Рентген звернув увагу, що флуоресцентний екран, випадково знаходився поряд, всякий раз світився, коли діяла трубка. Трубка виявилася джерелом випромінювання, яке могло проникати через папір, дерево, скло і навіть пластинку алюмінію завтовшки в півтора сантиметра.

Рентген визначив, що газорозрядна трубка є джерелом нового виду невидимого випромінювання, що володіє великою проникаючою здатністю. Вчений не міг визначити, чи було це випромінювання потоком частинок або хвиль, і він вирішив дати йому назву X-промені. В наслідок їх назвали рентгенівськими променями

Тепер відомо, що X-промені - вид електромагнітного випромінювання, що має меншу довжину хвилі, ніж ультрафіолетові електромагнітні хвилі. Довжина хвилі X-променів коливається від 70 нмдо 10 -5 нм. Чим коротше довжина хвилі X-променів, тим більше енергія їх фотонів і більше проникаюча здатність. X-промені з порівняно великою довжиною хвилі (більше 10 нм), Називаються м'якими. Довжина хвилі 1 - 10 нмхарактеризує жорсткі X-промені. Вони мають величезну проникаючу здатність.

Отримання рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені виникають, коли швидкі електрони, або катодні промені, стикаються зі стінками або анодом газорозрядної трубки низького тиску. Сучасна рентгенівська трубка являє собою вакуумізірованний скляний балон з розташованими в ньому катодом і анодом. Різниця потенціалів між катодом і анодом (електрод), досягає кілька сотень кіловольт. Катод являє собою вольфрамову нитку, що підігрівається електричним струмом. Це призводить до випускання катодом електронів в результаті термоелектронної емісії. Електрони прискорюються електричним полем в рентгенівській трубці. Оскільки в трубці дуже невелике число молекул газу, то електрони по шляху до анода практично не втрачають своєї енергії. Вони досягають анода з дуже великою швидкістю.

Рентгенівські промені виникають завжди, коли рухаються з високою швидкістю електрони гальмуються матеріалом анода. Велика частина енергії електронів розсіюється у вигляді тепла. Тому аноді необхідно штучно охолоджувати. Анод в рентгенівській трубці повинен бути зроблений з металу, що має високу температуру плавлення, наприклад, з вольфраму.

Частина енергії, що не розсіює в формі тепла, перетворюється в енергію електромагнітних хвиль (рентгенівські промені). Таким чином, рентгенівські промені є результатом бомбардування електронами речовини анода. Є два типи рентгенівського випромінювання: гальмівний і характеристичне.

Гальмівний рентгенівське випромінювання

Гальмівний рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що рухаються з великою швидкістю, електричними полями атомів анода. Умови гальмування окремих електронів не однакові. В результаті в енергію рентгенівського випромінювання переходять різні частини їх кінетичної енергії.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання не залежить від природи речовини анода. Як відомо, енергія фотонів рентгенівських променів визначає їх частоту і довжину хвилі. Тому гальмівне рентгенівське випромінювання не є монохроматичним. Воно характеризується різноманітністю довжин хвиль, яке може бути представлено суцільним (безперервним) спектром.

Рентгенівські промені не можуть мати енергію більшу, ніж кінетична енергія утворюють їх електронів. Найменша довжина хвилі рентгенівського випромінювання відповідає максимальній кінетичної енергії гальмуються електронів. Чим більше різниця потенціалів в рентгенівській трубці, тим менші довжини хвилі рентгенівського випромінювання можна отримати.

Характеристичне рентгенівське випромінювання

Характеристичне рентгенівське випромінювання має не суцільний, а лінійчатий спектр. Цей тип випромінювання виникає, коли швидкий електрон, досягаючи анода, проникає у внутрішні орбіталі атомів і вибиває один з їх електронів. В результаті з'являється вільне місце, яке може бути заповнене іншим електроном, що спускається з одного з верхніх атомних орбіталей. Такий перехід електрона з більш високого на більш низький енергетичний рівень викликає рентгенівське випромінювання певної дискретної довжини хвилі. Тому характеристичне рентгенівське випромінювання має лінійчатий спектр. Частота ліній характеристичного випромінювання повністю залежить від структури електронних орбіталей атомів анода.

Лінії спектра характеристичного випромінювання різних хімічних елементів мають однаковий вигляд, оскільки структура їх внутрішніх електронних орбітальних ідентична. Але довжина їх хвилі і частота, завдяки енергетичним відмінностей між внутрішніми орбиталями важких і легких атомів.

Частота ліній спектра характеристичного рентгенівського випромінювання змінюється у відповідність з атомним номером металу і визначається рівнянням Мозлі: v 1/2 = A(Z-B), Де Z- атомний номер хімічного елемента, Aі B- константи.

Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Для первинного взаємодії між рентгенівським випромінюванням і речовиною характерно три механізму:

1. Когерентне розсіювання. Ця форма взаємодії відбувається, коли фотони рентгенівських променів мають меншу енергію, ніж енергія зв'язку електронів з ядром атома. В такому випадку, енергія фотона виявляється недостатньою для звільнення електронів з атомів речовини. Фотон не поглинається атомом, але змінює напрямок поширення. При цьому довжина хвилі рентгенівського випромінювання залишається незмінною.

2. Фотоелектричний ефект (фотоефект). Коли фотон рентгенівського випромінювання досягає атома речовини, він може вибити один з електронів. Це відбувається в тому випадку, якщо енергія фотона перевищує енергію зв'язку електрона з ядром. При цьому фотон поглинається, а електрон вивільняється з атома. Якщо фотон несе велику енергію, ніж необхідно для вивільнення електрона, він передасть залишилася енергію звільненому електрону в формі кінетичної енергії. Цей феномен, званий фотоелектричним ефектом, відбувається при поглинанні щодо низькоенергетичного рентгенівського випромінювання.

Атом, який втрачає один зі своїх електронів, стає позитивним іоном. Тривалість існування вільних електронів дуже коротка. Вони поглинаються нейтральними атомами, які перетворюються при цьому в негативні іони. Результатом фотоефекту є інтенсивна іонізація речовини.

Якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання менше, ніж енергія іонізації атомів, то атоми переходять в збуджений стан, але не іонізуються.

3. некогерентного розсіяння (ефект Комптона). Цей ефект виявлений американським фізиком Комптоном. Він відбувається, якщо речовина поглинає рентгенівські промені малої довжини хвилі. Енергія фотонів таких рентгенівських променів завжди більше, ніж енергія іонізації атомів речовини. Ефект Комптона є результатом взаємодії високоенергетичного фотона рентгенівських променів з одним з електронів зовнішньої оболонки атома, який має порівняно слабкий зв'язок з атомним ядром.

Високоенергетичний фотон передає електрону деяку частину своєї енергії. Збуджений електрон вивільняється з атома. Частина енергії початкового фотона випромінюється у вигляді фотона рентгенівського випромінювання більшої довжини хвилі під деяким кутом до напрямку руху первинного фотона. Вторинний фотон може іонізувати інший атом і т.д. Ці зміни напрямку і довжини хвилі рентгенівських променів відомі як ефект Комптона.

Деякі ефекти взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Як було згадано вище, рентгенівські промені здатні порушувати атоми і молекули речовини. Це може викликати флюоресценцію певних речовин (наприклад, сульфату цинку). Якщо паралельний пучок рентгенівських променів направити на непрозорі об'єкти, то можна спостерігати як промені пройдуть крізь об'єкт, поставивши екран, покритий флюоресцирующим речовиною.

Флуоресцентний екран можна замінити фотографічної плівкою. Рентгенівські промені надають на фотографічну емульсію таку ж дію, як і світло. Обидва методи використовуються в практичній медицині.

Іншим важливим ефектом рентгенівського випромінювання є їх іонізуюча здатність. Це залежить від їх довжини хвилі і енергії. Цей ефект забезпечує метод для вимірювання інтенсивності рентгенівського випромінювання. Коли рентгенівські промені проходять через іонізаційні камеру, виникає електричний струм, величина якого пропорційна інтенсивності рентгенівського випромінювання.

Поглинання рентгенівського випромінювання речовиною

При проходженні рентгенівських променів через речовину їх енергія зменшується через поглинання і розсіяння. Ослаблення інтенсивності паралельного пучка рентгенівських променів, що проходять через речовина, визначається законом Бугера: I = I0 · e -μd, де I 0- початкова інтенсивність рентгенівського випромінювання; I- інтенсивність рентгенівських променів, які пройшли через шар речовини, d -товщина поглинаючого шару , μ - лінійний коефіцієнт ослаблення. Він дорівнює сумі двох величин: t- лінійного коефіцієнта поглинання і σ - лінійного коефіцієнта розсіювання: μ = τ+ σ

В експериментах виявлено, що лінійний коефіцієнт поглинання залежить від атомного номера речовини і довжини хвилі рентгенівських променів:

τ = kρZ 3 λ 3, де k- коефіцієнт прямої пропорційності, ρ - щільність речовини, Z- атомний номер елемента, λ - довжина хвилі рентгенівських променів.

Залежність від Z дуже важлива з практичної точки зору. Наприклад, коефіцієнт поглинання кісток, які складаються з фосфату кальцію, майже в 150 разів перевищує коефіцієнт поглинання м'яких тканин ( Z= 20 для кальцію і Z= 15 для фосфору). При проходженні рентгенівських променів через тіло людини, кістки чітко виділяються на тлі м'язів, сполучної тканини і т.п.

Відомо, що травні органи мають таку ж величину коефіцієнта поглинання, як і інші м'які тканини. Але тінь стравоходу, шлунка і кишечника можна розрізнити, якщо пацієнт прийме всередину контрастну речовину - сірчанокислий барій ( Z = 56 для барію). Сірчанокислий барій дуже непрозорий для рентгенівських променів і часто використовується для рентгенологічного обстеження шлунково-кишкового тракту. Певні непрозорі суміші вводять в кров'яне русло для того, щоб досліджувати стан кровоносних судин, нирок і т.п. Як контрастну речовину в цьому випадку використовують йод, атомний номер якого становить 53.

Залежність поглинання рентгенівських променів від Zвикористовують також для захисту від можливого шкідливого впливу рентгенівського випромінювання. Для цієї мети застосовують свинець, величина Zдля якого дорівнює 82.

Застосування рентгенівського випромінювання в медицині

Причиною застосування рентгенівського випромінювання в діагностиці послужила їх висока проникаюча здатність, одне з основних властивостей рентгенівського випромінювання. У перший час після відкриття, рентгенівське випромінювання використовувалося здебільшого, для дослідження переломів кісток і визначення місця розташування сторонніх тіл (наприклад, куль) в тілі людини. В даний час застосовують кілька методів діагностики за допомогою рентгенівських променів (рентгенодіагностика).

рентгеноскопія . Рентгенівський прилад складається з джерела рентгенівських променів (рентгенівської трубки) і флуоресціюючого екрану. Після проходження рентгенівських променів через тіло пацієнта лікар спостерігає тіньовий його зображення. Між екраном і очима лікаря повинно бути встановлено свинцеве вікно для того, щоб захистити лікаря від шкідливої ​​дії рентгенівських променів. Цей метод дає можливість вивчити функціональний стан деяких органів. Наприклад, лікар безпосередньо може поспостерігати руху легких, проходження контрастної речовини по шлунково-кишковому тракту. Недоліки цього методу - недостатньо контрастні зображення і порівняно великі дози випромінювання, одержувані пацієнтом під час процедури.

флюорографія . Цей метод полягає в отриманні фотографії із зображенням частини тіла пацієнта. Використовують, як правило, для попереднього дослідження стану внутрішніх органів пацієнтів за допомогою малих доз рентгенівського випромінювання.

Рентгенографія. (Радіографія рентгенівських променів). Це метод дослідження за допомогою рентгенівських променів, в ході якого зображення записується на фотографічну плівку. Фотографії робляться зазвичай в двох площинах. Цей метод має деякі переваги. Рентгенівські фотографії містять більше деталей, ніж зображення на флуоресцентного екрані, і тому вони є більш інформативними. Вони можуть бути збережені для подальшого аналізу. Загальна доза випромінювання менше, ніж застосовувана в рентгеноскопії.

Комп'ютерна рентгенівська томографія . Оснащений обчислювальною технікою осьової томографічний сканер є найбільш сучасним апаратом рентгенодіагностики, який дозволяє отримати чітке зображення будь-якій частині людського тіла, включаючи м'які тканини органів.

Перше покоління комп'ютерних томографів (КT) включає спеціальну рентгенівську трубку, яка прикріплена до циліндричної рамі. На пацієнта направляють тонкий пучок рентгенівських променів. Два детектора рентгенівських променів прикріплені до протилежної сторони рами. Пацієнт перебуває в центрі рами, яка може обертатися на 180 0 навколо його тіла.

Рентгенівський промінь проходить через нерухомий об'єкт. Детектори отримують і записують показники поглинання різних тканин. Записи роблять 160 раз, поки рентгенівська трубка переміщується лінійно уздовж сканируемой площині. Потім рама повертається на 1 0, і процедура повторюється. Запис триває, поки рама не повернеться на 180 0. Кожен детектор записує 28800 кадрів (180x160) протягом дослідження. Інформація обробляється комп'ютером, і за допомогою спеціальної комп'ютерної програми формується зображення вибраного шару.

Друге покоління КT використовує кілька пучків рентгенівських променів і до 30 їх детекторів. Це дає можливість прискорити процес дослідження до 18 секунд.

У третьому поколінні КT використовується новий принцип. Широкий пучок рентгенівських променів в формі віяла перекриває досліджуваний об'єкт, і минуле крізь тіло рентгенівське випромінювання записується декількома сотнями детекторів. Час, необхідний для дослідження, скорочується до 5-6 секунд.

КТ має безліч переваг в порівнянні з більш ранніми методами рентгенодіагностики. Вона характеризується високою роздільною здатністю, яке дає можливість розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які не можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КT дозволяє зменшити дозу рентгенівського випромінювання, одержуваного в процесі діагностики пацієнтами.

Відкриття і заслуги у вивченні основних властивостей рентгенівських променів з повним правом належить німецькому вченому Вільгельму Конраду Рентгену. Дивовижні властивості відкритих ним X-променів, відразу отримали величезний резонанс в науковому світі. Хоча тоді, у далекому 1895 році, вчений навряд чи міг припустити, яку користь, а іноді і шкода може принести рентгенівське випромінювання.

Давайте з'ясуємо в цій статті, як, цей вид випромінювання, впливає на здоров'я людини.

Що таке рентгенівське випромінювання

Перше питання, який зацікавив дослідника, - що таке рентгенівське випромінювання? Ряд експериментів дозволив переконатися, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 -8 см, що займає проміжне положення між ультрафіолетовим і гамма-випромінюванням.

Застосування рентгенівського випромінювання

Всі перераховані аспекти руйнівного впливу таємничих X-променів зовсім не виключають дивно великі аспекти їх застосування. Де ж застосовується рентгенівське випромінювання?

  1. Вивчення структури молекул і кристалів.
  2. Рентгенівська дефектоскопія (в промисловості виявлення дефектів у виробах).
  3. Методи медичного дослідження та терапії.

Найважливіші застосування рентгенівського випромінювання стали можливими, завдяки дуже малим довжинах всього діапазону цих хвиль і їх унікальним властивостям.

Так як нас цікавить вплив рентгенівського випромінювання на людей, які стикаються з ним лише під час медичного обстеження або лікування, то далі ми будемо розглядати тільки цю сферу застосування рентгена.

Застосування рентгенівського випромінювання в медицині

Незважаючи на особливу значимість свого відкриття Рентген не став брати патент на його використання, зробивши безцінним подарунком для всього людства. Уже в Першій світовій війні стали використовуватися рентгенівські установки, які дозволяли швидко і точно ставити діагнози пораненим. Зараз можна виділити дві основні сфери застосування рентгенівських променів в медицині:

  • рентгенодіагностика;
  • рентгенотерапія.

рентгенодіагностика

Рентгенодіагностика використовується в різних варіантах:

Розберемося на відміну цих методів.

Всі перераховані методи діагностики засновані на здатності рентгенівського проміння засвічувати фотоплівку і на різній проникності їх для тканин і кісткового скелета.

рентгенотерапія

Здатність рентгенівського проміння надавати біологічну дію на тканини, в медицині використовують для терапії пухлин. Іонізуючу дію цього випромінювання найбільш активно проявляється у впливі на швидко діляться клітини, якими і є клітини злоякісних пухлин.

Однак, слід знати і про побічні ефекти, що неминуче супроводжують рентгенотерапію. Справа в тому, що швидко діляться є також клітини кровотворних, ендокринних, імунних систем. Негативний вплив на них породжує ознаки променевої хвороби.

Вплив рентгенівського випромінювання на людину

Незабаром після чудового відкриття X-променів виявилося, що рентгенівське випромінювання впливає на людину.

Ці дані отримані при експериментах на піддослідних тварин, однак, генетики припускають, що подібні наслідки можуть поширюватися і на людський організм.

Вивчення наслідків рентгенівського опромінення дозволило розробити міжнародні стандарти на допустимі дози опромінення.

Дози рентгенівського випромінювання при рентгенодіагностиці

Після відвідин рентген-кабінету багато пацієнтів відчувають занепокоєння, - як отримана доза радіації відіб'ється на здоров'ї?

Доза загального опромінення організму залежить від характеру проведеної процедури. Для зручності будемо зіставляти одержувану дозу з природним опроміненням, яке супроводжує людину все життя.

  1. Рентгенографія: грудної клітки - отримана доза радіації еквівалентна 10 дням фонового опромінення; верхнього шлунка і тонкого кишечника - 3 років.
  2. Комп'ютерна томографія органів черевної порожнини і таза, а також всього тіла - 3 років.
  3. Мамографія - 3 місяців.
  4. Рентгенографія кінцівок - практично нешкідлива.
  5. Що стосується стоматологічного рентгена, доза опромінення - мінімальна, оскільки на пацієнта впливають вузьконаправленим пучком рентгенівських променів з малою тривалістю випромінювання.

Ці дози опромінення відповідають допустимим стандартам, але, якщо пацієнт перед проходженням рентгена відчуває почуття тривоги, він має право попросити спеціальний захисний фартух.

Вплив рентгенівського випромінювання на вагітних

Рентгенівському обстеженню кожна людина змушений піддаватися неодноразово. Але існує правило - цей метод діагностики не можна призначати вагітним жінкам. Розвивається ембріон надзвичайно вразливий. Рентгенівські промені можуть викликати аномалії хромосом і як наслідок, народження дітей з вадами розвитку. Найбільш вразливим у цьому плані є термін вагітності до 16 тижнів. Причому найбільш небезпечний для майбутнього малюка рентген хребта, тазової і черевної області.

Знаючи про згубний вплив рентгенівського випромінювання на вагітність, лікарі всіляко уникають використовувати його в цей відповідальний період в житті жінки.

Однак існують побічні джерела рентгенівських випромінювань:

  • електронні мікроскопи;
  • кінескопи кольорових телевізорів і т. д.

Майбутнім матусям слід знати про що йде від них небезпеки.

Для матерів-годувальниць рентгенодіагностика небезпеки не представляє.

Що робити після рентгенівського випромінювання

Щоб уникнути навіть мінімальних наслідків рентгенівського опромінення, можна зробити деякі прості дії:

  • після рентгена випити склянку молока, - воно виводить малі дози радіації;
  • вельми до речі прийом стакан сухого вина або виноградного соку;
  • деякий час після процедури корисно збільшити частку продуктів, з підвищеним вмістом йоду (морепродуктів).

Але, ніякі лікувальні процедури або спеціальні заходи для виведення радіації після рентгена не потрібні!

Незважаючи на, безперечно, серйозні наслідки від впливу рентгенівських променів, не слід переоцінювати їх небезпека при медичних обстеженнях - вони проводяться лише на певних ділянках тіла і дуже швидко. Користь від них у багато разів перевищує ризик цієї процедури для людського організму.


Рентгенівське випромінювання - різновид високоенергетичного електромагнітного випромінювання. Воно активно використовується в різних галузях медицини.

Рентгенівські промені є електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких на шкалі електромагнітних хвиль знаходиться між ультрафіолетовим випромінюванням і гамма-випромінюванням (від ~ 10 еВ до ~ 1 МеВ), що відповідає довжинах хвиль від ~ 10 ^ 3 до ~ 10 ^ -2 ангстрем ( від ~ 10 ^ -7 до ~ 10 ^ -12 м). Тобто це незрівнянно більш жорстке випромінювання, ніж видиме світло, який знаходиться на цій шкалі між ультрафіолетом і інфрачервоними ( "тепловими") променями.

Кордон між рентгеном і гамма-випромінюванням виділяється умовно: їх діапазони перетинаються, гамма-промені можуть мати енергію від 1 кев. Розрізняються вони за походженням: гамма-промені випускаються в ході процесів, що відбуваються в атомних ядрах, рентгенівські ж - при процесах, що йдуть за участю електронів (як вільних, так і що знаходяться в електронних оболонках атомів). При цьому по самому фотону неможливо встановити, в ході якого процесу він виник, тобто поділ на рентгенівський і гамма-діапазон багато в чому умовно.

Рентгенівський діапазон ділять на "м'який рентген" і "жорсткий". Кордон між ними пролягає на рівні довжини хвилі 2 ангстрема і 6 кев енергії.

Генератор рентгенівського випромінювання являє собою трубку, в якій створено вакуум. Там розташовані електроди - катод, на який подається негативний заряд, і позитивно заряджений анод. Напруга між ними становить десятки-сотні кіловольт. Генерація рентгенівських фотонів відбувається тоді, коли електрони "зриваються" з катода і з високою швидкістю врізаються в поверхню анода. Що виникає при цьому рентгенівське випромінювання називається "гальмівним", його фотони мають різну довжину хвилі.

Одночасно відбувається генерація фотонів характеристичного спектра. Частина електронів в атомах речовини анода збуджується, тобто переходить на більш високі орбіти, а потім повертається до нормального стану, випромінюючи фотони певної довжини хвилі. У стандартному генераторі виникають обидва типи рентгенівського випромінювання.

Історія відкриття

8 листопада 1895 року німецький вчений Вільгельм Конрад Рентген виявив, що деякі речовини під впливом "катодного випромінювання", тобто потоку електронів, що генерується катодно-променевою трубкою, починають світитися. Він пояснив це явище впливом деяких X-променів - так ( "ікс-промені") це випромінювання і зараз називається на багатьох мовах. Пізніше В.К. Рентген вивчив відкрите їм явище. 22 грудня 1895 року його зробив доповідь на цю тему в Вюрцбургском університеті.

Пізніше з'ясувалося, що рентгенівське випромінювання спостерігалося і раніше, але тоді пов'язаним з ним феноменів не надали великого значення. Катодного-променева трубка була винайдена вже давно, але до В.К. Рентгена ніхто не звертав особливої ​​уваги на почорніння фотопластинок поблизу неї і т.п. явища. Невідома була і небезпека, що виходить від проникаючої радіації.

Види і їх вплив на організм

"Рентген" - самий м'який тип проникаючої радіації. Надмірне вплив м'якого рентгена нагадує вплив ультрафіолетового опромінення, але в більш важкій формі. На шкірі утворюється опік, але поразка виявляється більш глибоким, а заживає він набагато повільніше.

Жорсткий рентген є повноцінною іонізуючу радіацію, здатну привести до променевої хвороби. Рентгенівські кванти можуть розривати молекули білків, з яких складаються тканини людського тіла, а також молекули ДНК генома. Але навіть якщо рентгенівський квант розбиває молекулу води, все одно: при цьому утворюються хімічно активні вільні радикали H і OH, які самі здатні впливати на білки і ДНК. Променева хвороба протікає в тих важчій формі, ніж більше уражаються органи кровотворення.

Рентгенівські промені мають мутагенної і канцерогенної активністю. Це означає, що ймовірність спонтанних мутацій в клітинах при опроміненні зростає, а іноді здорові клітини можуть перероджуватися в ракові. Підвищення ймовірності появи злоякісних пухлин - стандартне наслідок будь-якого опромінення, в тому числі рентгенівського. Рентген є найменш небезпечним видом проникаючої радіації, але він все одно може бути небезпечний.

Рентгенівське випромінювання: застосування і як працює

Рентгенівське випромінювання застосовується в медицині, а також в інших сферах людської діяльності.

Рентгеноскопія і комп'ютерна томографія

Найбільш часте застосування рентгенівського випромінювання - рентгеноскопія. "Просвічування" людського тіла дозволяє отримати детальне зображення як кісток (їх видно найчіткіше), так і зображення внутрішніх органів.

Різна прозорість тканин тіла в рентгенівських променях пов'язана з їх хімічним складом. Особливості будови кісток в тому, що вони містять багато кальцію і фосфору. Інші ж тканини складаються в основному з вуглецю, водню, кисню та азоту. Атом фосфору перевершує за вагою атом кисню майже вдвічі, а атом кальцію - в 2,5 рази (вуглець, азот і водень - ще легше кисню). У зв'язку з цим поглинання рентгенівських фотонів в кістках виявляється набагато вище.

Крім двомірних "знімків" рентгенографія дає можливість створити тривимірне зображення органу: цей різновид рентгенографії називається комп'ютерною томографією. Для цих цілей застосовується м'який рентген. Обсяг опромінення, отриманий при одному знімку, невеликий: він приблизно дорівнює опроміненню, що отримується при 2-годинному польоті на літаку на висоті 10 км.

Рентгенівська дефектоскопія дозволяє виявляти дрібні внутрішні дефекти у виробах. Для неї використовується жорсткий рентген, так як багато матеріалів (метал наприклад) погано "просвічуються" через високу атомної маси становить їх речовини.

Рентгеноструктурний і рентгенофлуоресцентний аналіз

У рентгенівських променів властивості дозволяють з їх допомогою детально розглядати окремі атоми. Рентгеноструктурний аналіз активно застосовується в хімії (в тому числі біохімії) і кристалографії. Принцип його роботи - дифракційне розсіювання рентгенівських променів на атомах кристалів або складних молекул. За допомогою рентгеноструктурного аналізу була визначена структура молекули ДНК.

Рентгенофлуоресцентний аналіз дозволяє швидко визначити хімічний склад речовини.

Існує безліч форм радіотерапії, але всі вони мають на увазі використання іонізуючої радіації. Радіотерапія ділиться на 2 типу: корпускулярний і хвильової. Корпускулярний використовує потоки альфа-частинок (ядер атомів гелію), бета-частинок (електронів), нейтронів, протонів, важких іонів. Хвильовий використовує промені електромагнітного спектра - рентгенівські і гамма.

Використовуються радиотерапевтические методи перш за все для лікування онкологічних захворювань. Справа в тому, що радіація вражає в першу чергу активно діляться клітини, тому так страждають органи кровотворення (їх клітини постійно діляться, виробляючи все нові еритроцити). Ракові клітини теж постійно діляться і більш уразливі для радіації, ніж здорова тканина.

Використовується рівень опромінення, який пригнічує активність ракових клітин, помірно впливаючи на здорові. Під впливом радіації відбувається не руйнування клітин як таке, а поразка їх генома - молекул ДНК. Клітка з зруйнованим геномом може деякий час існувати, але вже не може ділитися, тобто зростання пухлини припиняється.

Рентгенотерапія - найбільш м'яка форма радіотерапії. Хвильова радіація м'якше корпускулярної, а рентген - м'якше гамма-випромінювання.

при вагітності

Використовувати іонізуючу радіацію при вагітності небезпечно. Рентгенівські промені мають мутагенною активністю і можуть негативно вплинути на плід. Рентгенотерапія несумісна з вагітністю: вона може застосовуватися тільки в тому випадку, якщо вже вирішено проводити аборт. Обмеження на рентгеноскопію м'якше, але в перші місяці вона теж суворо заборонено.

У разі крайньої необхідності рентгенологічне дослідження замінюють магніторезонансної томографії. Але в перший триместр намагаються уникати і її (цей метод з'явився недавно, і з абсолютною впевненістю говорити про відсутність шкідливих наслідків).

Однозначна небезпека виникає при опроміненні сумарною дозою не менше 1 мЗв (в старих одиницях - 100 мР). При простому рентгенівському знімку (наприклад, при проходженні флюорографії) пацієнтка отримує приблизно в 50 разів менше. Для того, щоб отримати таку дозу за 1 раз, потрібно піддатися детальної комп'ютерної томографії.

Тобто сам по собі факт 1-2-кратного "рентгена" на ранній стадії вагітності не загрожує важкими наслідками (але краще не ризикувати).

Лікування за допомогою нього

Рентгенівські промені застосовують насамперед при боротьбі зі злоякісними пухлинами. Цей метод хороший тим, що високоефективний: він вбиває пухлина. Поганий він тим, що здоровим тканинам припадає трохи краще, є численні побічні ефекти. В особливій небезпеці знаходяться органи кровотворення.

На практиці застосовуються різні методи, що дозволяють мінімізувати можливі перешкоди для рентгена на здорові тканини. Промені направляються під кутом таким чином, щоб в зоні їх перехрещення виявилася пухлина (завдяки цьому основне поглинання енергії відбувається як раз там). Іноді процедура проводиться в русі: тіло пацієнта щодо джерела випромінювання обертається навколо осі, що проходить через пухлину. При цьому здорові тканини виявляються в зоні опромінення лише іноді, а хворі - постійно.

Рентген використовується при лікуванні деяких артрозів і подібних захворювань, а також шкірних хвороб. При цьому больовий синдром знижується на 50-90%. Так як випромінювання при цьому використовується більш м'яке, побічних ефектів, аналогічних тим, що виникають при лікуванні пухлин, не спостерігається.

рентгенівське випромінювання
невидиме випромінювання, здатне проникати, хоча і в різному ступені, в усі речовини. Являє собою електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі порядку 10-8 см. Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Це його властивість має важливе значення для медицини, промисловості і наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи потім на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають більш світлі ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання проникає добре. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра і внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також в стоматології для виявлення карієсу і абсцесів в коренях зубів, а також в промисловості для виявлення тріщин в лиття, пластмасах та резинах. Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу з'єднань і в фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад з'єднання. При падінні на кристалічна речовина пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала. Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку засноване на тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може надати небажаний вплив і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна дотримуватися крайня обережність. Рентгенівське випромінювання було відкрито німецьким фізиком В. Рентгеном (1845-1923). Його ім'я увічнене і в деяких інших фізичних термінах, пов'язаних з цим випромінюванням: рентгеном називається міжнародна одиниця дози іонізуючого випромінювання; знімок, зроблений в рентгенівському апараті, називається рентгенограммой; область радіологічної медицини, в якій використовуються рентгенівські промені для діагностики і лікування захворювань, називається рентгенологией. Рентген відкрив випромінювання в 1895, будучи професором фізики Вюрцбургского університету. Проводячи експерименти з катодними променями (потоками електронів в розрядних трубках), він зауважив, що розташований поблизу вакуумної трубки екран, покритий кристалічним ціаноплатінітом барію, яскраво світиться, хоча сама трубка закрита чорним картоном. Далі Рентген встановив, що проникаюча здатність виявлених ним невідомих променів, які він назвав Х-променями, залежить від складу поглинаючого матеріалу. Він отримав також зображення кісток власної руки, помістивши її між розрядної трубкою з катодними променями і екраном з покриттям з ціаноплатініта барію. За відкриттям Рентгена пішли експерименти інших дослідників, які виявили багато нових властивостей і можливостей застосування цього випромінювання. Великий внесок внесли М.Лауе, В.Фрідріх і П.Кніппінг, що продемонстрували в 1912 дифракцию рентгенівського випромінювання при проходженні його через кристал; У.Кулідж, який в 1913 винайшов високовакуумних рентгенівську трубку з підігрітим катодом; Г.Мозлі, який встановив в 1913 залежність між довжиною хвилі випромінювання і атомним номером елемента; Г. і Л. Брегг, які отримали в 1915 Нобелівську премію за розробку основ рентгеноструктурного аналізу.
ОТРИМАННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Рентгенівське випромінювання виникає при взаємодії електронів, що рухаються з великими швидкостями, з речовиною. Коли електрони соударяются з атомами певної речовини, вони швидко втрачають свою кінетичну енергію. При цьому велика її частина переходить в тепло, а невелика частка, зазвичай менше 1%, перетворюється в енергію рентгенівського випромінювання. Ця енергія вивільняється у формі квантів - частинок, які називаються фотонами, які мають енергію, але маса спокою яких дорівнює нулю. Рентгенівські фотони розрізняються своєю енергією, обернено пропорційній їх довжині хвилі. При звичайному способі отримання рентгенівського випромінювання отримують широкий діапазон довжин хвиль, який називають рентгенівським спектром. В спектрі присутні яскраво виражені компоненти, як це показано на рис. 1. Широкий "континуум" називають безперервним спектром або білим випромінюванням. Налагающиеся на нього гострі піки називаються характеристичними рентгенівськими лініями випускання. Хоча весь спектр є результат зіткнень електронів з речовиною, механізми виникнення його широкої частини і ліній різні. Речовина складається з великого числа атомів, кожен з яких має ядро, оточене електронними оболонками, причому кожен електрон в оболонці атома даного елемента займає деякий дискретний рівень енергії. Зазвичай ці оболонки, або енергетичні рівні, позначають символами K, L, M і т.д., починаючи від найближчої до ядра оболонки. Коли налітав електрон, що володіє досить великою енергією, соударяющихся з одним з пов'язаних з атомом електронів, він вибиває цей електрон з його оболонки. Спорожніле місце займає інший електрон з оболонки, якою відповідає велика енергія. Цей останній віддає надлишок енергії, випускаючи рентгенівський фотон. Оскільки електрони оболонок мають дискретні значення енергії, що виникають рентгенівські фотони теж мають дискретним спектром. Цьому відповідають гострі піки для певних довжин хвиль, конкретні значення яких залежать від елемента-мішені. Характеристичні лінії утворюють K-, L- і M-серії, в залежності від того, з якою оболонки (K, L або M) був вилучений електрон. Співвідношення між довжиною хвилі рентгенівського випромінювання і атомним номером називається законом Мозлі (рис. 2).



Якщо електрон наштовхується на відносно важке ядро, то він гальмується, а його кінетична енергія виділяється у вигляді рентгенівського фотона приблизно тієї ж енергії. Якщо ж він пролетить повз ядра, то втратить лише частину своєї енергії, а решту буде передавати потрапляє на його шляху іншим атомам. Кожен акт втрати енергії веде до випромінювання фотона з якоюсь енергією. Виникає безперервний рентгенівський спектр, верхня межа якого відповідає енергії найшвидшого електрона. Такий механізм утворення безперервного спектра, а максимальна енергія (або мінімальна довжина хвилі), яка фіксує кордон безперервного спектра, пропорційна прискорює напрузі, яким визначається швидкість налітають електронів. Спектральні лінії характеризують матеріал бомбардований мішені, а безперервний спектр визначається енергією електронного пучка і практично не залежить від матеріалу мішені. Рентгенівське випромінювання можна отримувати не тільки електронним бомбардуванням, але і опроміненням мішені рентгенівським ж випромінюванням від іншого джерела. У цьому випадку, однак, велика частина енергії падаючого пучка переходить в характеристичний рентгенівський спектр і дуже мала її частка припадає на безперервний. Очевидно, що пучок падаючого рентгенівського випромінювання повинен містити фотони, енергія яких достатня для збудження характеристичних ліній бомбардируемого елемента. Високий відсоток енергії, що припадає на характеристичний спектр, робить такий спосіб збудження рентгенівського випромінювання зручним для наукових досліджень.
Рентгенівські трубки.Щоб отримувати рентгенівське випромінювання за рахунок взаємодії електронів з речовиною, потрібно мати джерело електронів, засоби їх прискорення до великих швидкостей і мішень, яка здатна витримувати електронну бомбардування і давати рентгенівське випромінювання потрібної інтенсивності. Пристрій, в якому все це є, називається рентгенівської трубкою. Ранні дослідники користувалися "глибоко Вакуумована" трубками типу сучасних газорозрядних. Вакуум в них був не дуже високим. У газорозрядних трубках міститься невелика кількість газу, і коли на електроди трубки подається велика різниця потенціалів, атоми газу перетворюються в позитивні і негативні іони. Позитивні рухаються до негативного електроду (катоду) і, падаючи на нього, вибивають з нього електрони, а вони, в свою чергу, рухаються до позитивного електрода (анода) і, бомбардуючи його, створюють потік рентгенівських фотонів. У сучасній рентгенівській трубці, розробленої Кулідж (рис. 3), джерелом електронів є вольфрамовий катод, що нагрівається до високої температури. Електрони прискорюються до великих швидкостей високою різницею потенціалів між анодом (або електрод) і катодом. Оскільки електрони повинні досягти анода без зіткнень з атомами, необхідний дуже високий вакуум, для чого потрібно добре відкачати трубку. Цим також знижуються ймовірність іонізації залишилися атомів газу і обумовлені нею побічні струми.


Електрони фокусуються на аноді за допомогою електрода особливої ​​форми, що оточує катод. Цей електрод називається фокусирующим і разом з катодом утворює "електронний прожектор" трубки. Що піддається електронної бомбардуванню анод повинен бути виготовлений з тугоплавкого матеріалу, оскільки більша частина кінетичної енергії бомбардують електронів перетворюється в тепло. Крім того, бажано, щоб анод був з матеріалу з великим атомним номером, тому що вихід рентгенівського випромінювання зростає зі збільшенням атомного номера. Як матеріал анода найчастіше вибирається вольфрам, атомний номер якого дорівнює 74. Конструкція рентгенівських трубок може бути різною в залежності від умов застосування і вимог, що пред'являються.
ВИЯВЛЕННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Всі методи виявлення рентгенівського випромінювання засновані на їх взаємодії з речовиною. Детектори можуть бути двох видів: ті, які дають зображення, і ті, які його не дають. До перших відносяться пристрої рентгенівської флюорографії і рентгеноскопії, в яких пучок рентгенівського випромінювання проходить через досліджуваний об'єкт, а минуле випромінювання потрапляє на люмінесцентний екран або фотоплівку. Зображення виникає завдяки тому, що різні частини досліджуваного об'єкта поглинають випромінювання по-різному - залежно від товщини речовини і його складу. У детекторах з люмінесцентним екраном енергія рентгенівського випромінювання перетворюється в безпосередньо спостережуване зображення, а в рентгенографії воно реєструється на чутливій емульсії і його можна спостерігати лише після проявлення плівки. До другого типу детекторів відносяться найрізноманітніші пристрої, в яких енергія рентгенівського випромінювання перетвориться в електричні сигнали, що характеризують відносну інтенсивність випромінювання. Сюди входять іонізаційні камери, лічильник Гейгера, пропорційний лічильник, сцинтиляційний лічильник і деякі спеціальні детектори на основі сульфіду та селеніду кадмію. В даний час найбільш ефективними детекторами можна вважати сцинтиляційні лічильники, добре працюють в широкому діапазоні енергій.
Див. такожДЕТЕКТОРИ ЧАСТИНОК. Детектор вибирається з урахуванням умов завдання. Наприклад, якщо потрібно точно виміряти інтенсивність діфрагованого рентгенівського випромінювання, то застосовуються лічильники, що дозволяють зробити виміри з точністю до часток відсотка. Якщо ж потрібно зареєструвати дуже багато діфрагірованних пучків, то доцільно користуватися рентгенівською плівкою, хоча в цьому випадку визначити інтенсивність з тією ж точністю неможливо.
РЕНТГЕНІВСЬКА І ГАММА-дефектоскопа
Одне з найбільш поширених застосувань рентгенівського випромінювання в промисловості - контроль якості матеріалів і дефектоскопія. Рентгенівський метод є неруйнівним, так що перевіряється матеріал, якщо він знайдений задовольняє необхідним вимогам, може потім використовуватися за призначенням. І рентгенівська, і гамма-дефектоскопія засновані на проникаючу здатність рентгенівського випромінювання і особливості його поглинання в матеріалах. Проникаюча здатність визначається енергією рентгенівських фотонів, яка залежить від прискорюючої напруги в рентгенівській трубці. Тому товсті зразки і зразки з важких металів, таких, наприклад, як золото і уран, вимагають для їх дослідження рентгенівського джерела з більш високою напругою, а для тонких зразків досить джерела і з більш низькою напругою. Для гамма-дефектоскопії дуже великих виливків і великого прокату застосовуються Бетатрон і лінійні прискорювачі, що прискорюють частинки до енергій 25 МеВ і більше. Поглинання рентгенівського випромінювання в матеріалі залежить від товщини поглинача d і коефіцієнта поглинання m і визначається формулою I = I0e-md, де I - інтенсивність випромінювання, що пройшов через поглинач, I0 - інтенсивність падаючого випромінювання, а e = 2,718 - основа натуральних логарифмів. Для даного матеріалу при даній довжині хвилі (або енергії) рентгенівського випромінювання коефіцієнт поглинання є константою. Але випромінювання рентгенівського джерела не є монохроматичності, а містить широкий спектр довжин хвиль, внаслідок чого поглинання при одній і тій же товщині поглинача залежить від довжини хвилі (частоти) випромінювання. Рентгенівське випромінювання широко застосовується у всіх галузях промисловості, пов'язаних з обробкою металів тиском. Воно також застосовується для контролю артилерійських стовбурів, харчових продуктів, пластмас, для перевірки складних пристроїв і систем в електронній техніці. (Для аналогічних цілей застосовується і нейтронографія, в якій замість рентгенівського випромінювання використовуються нейтронні пучки.) Рентгенівське випромінювання застосовується і для інших завдань, наприклад, для дослідження полотен живопису з метою встановлення їх автентичності або для виявлення додаткових шарів фарби поверх основного шару.
ДИФРАКЦІЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Дифракція рентгенівського випромінювання дає важливу інформацію про тверді тіла - їх атомної структурою та формою кристалів, а також про рідинах, аморфних тілах і великих молекулах. Дифракційний метод застосовується також для точного (з похибкою менш 10-5) визначення міжатомних відстаней, виявлення напруг і дефектів і для визначення орієнтації монокристалів. За дифракційної картині можна ідентифікувати невідомі матеріали, а також виявити присутність в зразку домішок і визначити їх. Значення рентгенівського дифракційного методу для прогресу сучасної фізики важко переоцінити, оскільки сучасне розуміння властивостей матерії засноване в кінцевому рахунку на даних про розташування атомів в різних хімічних сполуках, про характер зв'язків між ними і про дефекти структури. Головним інструментом отримання цієї інформації є дифракційну рентгенівський метод. Рентгенівська дифракційна кристалографія вкрай важлива для визначення структур складних великих молекул, таких, як молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) - генетичного матеріалу живих організмів. Відразу після відкриття рентгенівського випромінювання науковий і медичний інтерес був сконцентрований як на здатності цього випромінювання проникати крізь тіла, так і на його природі. Експерименти по дифракції рентгенівського випромінювання на щілинах і дифракційних решітках показували, що воно відноситься до електромагнітного випромінювання і має довжину хвилі близько 10-8-10-9 см. Ще раніше вчені, зокрема У.Барлоу, здогадувалися, що правильна і симетрична форма природних кристалів обумовлена ​​впорядкованим розміщенням атомів, що утворюють кристал. У деяких випадках Барлоу вдалося правильно передбачити структуру кристала. Величина передбачаються міжатомних відстаней становила 10-8 см. Те, що міжатомні відстані виявилися порядку довжини хвилі рентгенівського випромінювання, в принципі дозволяло спостерігати їх дифракцію. В результаті виник задум одного з найважливіших експериментів в історії фізики. М.Лауе організував експериментальну перевірку цієї ідеї, яку провели його колеги В. Фрідріх і П. Кніппінг. У 1912 вони втрьох опублікували свою роботу про результати дифракції рентгенівського випромінювання. Принципи дифракції рентгенівського випромінювання. Щоб зрозуміти явище дифракції рентгенівського випромінювання, потрібно розглянути по порядку: по-перше, спектр рентгенівського випромінювання, по-друге, природу кристалічної структури і, по-третє, саме явище дифракції. Як вже говорилося вище, характеристичне рентгенівське випромінювання складається з серій спектральних ліній високого ступеня монохроматичности, що визначаються матеріалом анода. За допомогою фільтрів можна виділити найбільш інтенсивні з них. Тому, вибравши відповідним чином матеріал анода, можна отримати джерело майже монохроматичноговипромінювання з дуже точно визначеним значенням довжини хвилі. Довжини хвиль характеристичного випромінювання зазвичай лежать в діапазоні від 2,285 для хрому до 0,558 для срібла (значення для різних елементів відомі з точністю до шести значущих цифр). Характеристичний спектр накладається на безперервний "білий" спектр значно меншої інтенсивності, обумовлений гальмуванням в аноді падаючих електронів. Таким чином, від кожного анода можна отримати два типи випромінювання: характеристичне і гальмівне, кожне з яких грає по-своєму важливу роль. Атоми в кристалічній структурі розташовуються з правильною періодичністю, утворюючи послідовність однакових осередків - просторову решітку. Деякі решітки (наприклад, для більшості звичайних металів) досить прості, а інші (наприклад, для молекул білків) дуже складні. Для кристалічної структури характерно наступне: якщо від деякої заданої точки одного осередку зміститися до відповідного патрубку сусідній осередку, то виявиться точно таке ж атомне оточення. І якщо деякий атом розташований в тій чи іншій точці одного осередку, то в еквівалентній їй точці будь сусідньої комірки буде знаходитися такий же атом. Цей принцип строго справедливий для досконалого, ідеально упорядкованого кристала. Однак багато кристали (наприклад, металеві тверді розчини) є в тій чи іншій мірі неупорядкованими, тобто кристалографічна еквівалентні місця можуть бути зайняті різними атомами. У цих випадках визначається не положення кожного атома, а лише стан атома, "статистично усередненого" по великій кількості частинок (або осередків). Явище дифракції розглядається в статті ОПТИКА, і читач може звернутися до цієї статті, перш ніж рухатися далі. Там показано, що якщо хвилі (наприклад, звук, світло, рентгенівське випромінювання) проходять через невелику щілину або отвір, то останні можуть розглядатися як вторинне джерело хвиль, а зображення щілини або отвори складається з чергуються світлих і темних смуг. Далі, якщо є періодична структура з отворів або щілин, то в результаті підсилює і ослаблює інтерференції променів, що йдуть від різних отворів, виникає чітка дифракційна картина. Дифракція рентгенівського випромінювання - це колективне явище розсіювання, при якому роль отворів і центрів розсіювання грають періодично розташовані атоми кристалічної структури. Взаємне посилення їх зображень за певних кутах дає дифракційну картину, аналогічну тій, яка виникла б при дифракції світла на тривимірній дифракційної решітці. Розсіювання відбувається завдяки взаємодії падаючого рентгенівського випромінювання з електронами в кристалі. Внаслідок того, що довжина хвилі рентгенівського випромінювання того ж порядку, що і розміри атома, довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання та ж, що і падаючого. Цей процес є результатом вимушених коливань електронів під дією падаючого рентгенівського випромінювання. Розглянемо тепер атом з хмарою пов'язаних електронів (оточуючих ядро), на який падає рентгенівське випромінювання. Електрони в усіх напрямках одночасно розсіюють падаюче і випускають власне рентгенівське випромінювання тієї ж довжини хвилі, хоча і з різною інтенсивністю. Інтенсивність розсіяного випромінювання пов'язана з атомним номером елемента, тому що атомний номер дорівнює числу орбітальних електронів, які можуть брати участь в розсіянні. (Ця залежність інтенсивності від атомного номера розсіює елемента і від напрямку, в якому вимірюється інтенсивність, характеризується атомним чинником розсіювання, який відіграє надзвичайно важливу роль в аналізі структури кристалів.) Виберемо в кристалічній структурі лінійну ланцюжок атомів, розташованих на однаковій відстані одна від одної, і розглянемо їх дифракційну картину. Вже зазначалося, що рентгенівський спектр складається з безперервної частини ( «континууму») і набору більш інтенсивних ліній, характеристичних для того елемента, який є матеріалом анода. Припустимо, ми відфільтрували безперервний спектр і отримали майже монохромний пучок рентгенівського випромінювання, спрямований на нашу лінійну ланцюжок атомів. Умова посилення (підсилює інтерференції) виконується, якщо різниця ходу хвиль, розсіяних сусідніми атомами, кратної довжини хвилі. Якщо пучок падає під кутом a0 до лінії атомів, розділених інтервалами a (період), то для кута дифракції a різниця ходу, відповідна посилення, запишеться у вигляді a (cos a - cosa0) = hl, де l - довжина хвилі, а h - ціле число (рис. 4 і 5).



Щоб поширити цей підхід на тривимірний кристал, необхідно лише вибрати ряди атомів по двох інших напрямках в кристалі і вирішити спільно отримані таким чином три рівняння для трьох кристалічних осей з періодами a, b і c. Два інших рівняння мають вигляд


Це - три фундаментальних рівняння Лауе для дифракції рентгенівського випромінювання, причому числа h, k і c - індекси Міллера для площини дифракції.
Див. такожКРИСТАЛИ І кристалографії. Розглядаючи будь-яке з рівнянь Лауе, наприклад найперше, можна помітити, що, оскільки a, a0, l - константи, а h = 0, 1, 2, ..., його рішення можна представити у вигляді набору конусів із загальною віссю a (рис . 5). Те ж саме вірно для напрямків b і c. У загальному випадку тривимірного розсіювання (дифракція) три рівняння Лауе повинні мати спільне рішення, тобто три дифракційних конуса, розташованих на кожній з осей, повинні перетинатися; загальна лінія перетину показана на рис. 6. Спільне рішення рівнянь призводить до закону Брегга - Вульфа:



l = 2 (d / n) sinq, де d - відстань між площинами з індексами h, k і c (період), n = 1, 2, ... - цілі числа (порядок дифракції), а q - кут, утворений падаючим пучком (а також і дифрагує) з площиною кристала, в якій відбувається дифракція. Аналізуючи рівняння закону Брегга - Вульфа для монокристала, розташованого на шляху монохроматичного пучка рентгенівського випромінювання, можна зробити висновок, що дифракцию непросто спостерігати, тому що величини l і q фіксовані, а sinq МЕТОДИ дифракційну АНАЛІЗУ
Метод Лауе.У методі Лауе застосовується безперервний "білий" спектр рентгенівського випромінювання, яке направляється на нерухомий монокристал. Для конкретного значення періоду d з усього спектра автоматично вибирається відповідне умові Брегга - Вульфа значення довжини хвилі. Отримувані таким чином лауеграмми дають можливість судити про напрямки діфрагірованних пучків і, отже, про орієнтаціях площин кристала, що дозволяє також зробити важливі висновки щодо симетрії, орієнтації кристала і наявності в ньому дефектів. При цьому, однак, втрачається інформація про просторове періоді d. На рис. 7 наводиться приклад лауеграмми. Рентгенівська плівка розташовувалася з боку кристала, протилежної тій, на яку падав рентгенівський пучок з джерела.



Метод Дебая - Шеррер (для полікристалічних зразків).На відміну від попереднього методу, тут використовується монохроматичне випромінювання (l = const), а варіюється кут q. Це досягається використанням полікристалічного зразка, що складається з численних дрібних кристалітів випадкової орієнтації, серед яких є і задовольняють умові Брегга - Вульфа. Дифраговані пучки утворюють конуси, вісь яких спрямована уздовж пучка рентгенівського випромінювання. Для зйомки зазвичай використовується вузька смужка рентгенівської плівки в циліндричній касеті, а рентгенівські промені поширюються по діаметру через отвори в плівці. Отримана таким чином дебаєграм (рис. 8) містить точну інформацію про період d, тобто про структуру кристала, але не дає інформації, яку містить лауеграмми. Тому обидва методи взаємно доповнюють один одного. Розглянемо деякі застосування методу Дебая - Шеррер.

Ідентифікація хімічних елементів і сполук. За певним з Дебаєграми кутку q можна обчислити характерне для даного елемента або сполуки межплоскостное відстань d. В даний час складено безліч таблиць значень d, що дозволяють ідентифікувати не тільки той чи інший хімічний елемент або з'єднання, але і різні фазові стани одного і того ж речовини, що не завжди дає хімічний аналіз. Можна також в сплавах заміщення з високою точністю визначати зміст другого компонента по залежності періоду d від концентрації.
Аналіз напруг.За виміряної різниці міжплощинних відстаней для різних напрямків в кристалах можна, знаючи модуль пружності матеріалу, з високою точністю обчислювати малі напруги в ньому.
Дослідження переважної орієнтації в кристалах.Якщо малі кристалітів в поликристаллическом зразку орієнтовані не зовсім випадковим чином, то кільця на дебаєграм матимуть різну інтенсивність. При наявності різко вираженої переважної орієнтації максимуми інтенсивності концентруються в окремих плямах на знімку, який стає схожий на знімок для монокристала. Наприклад, при глибокої холодної прокатки металевий лист набуває текстуру - виражену орієнтацію кристалітів. За дебаєграм можна судити про характер холодної обробки матеріалу.
Дослідження розмірів зерен.Якщо розмір зерен полікристала більш 10-3 см, то лінії на дебаєграм будуть складатися з окремих плям, оскільки в цьому випадку число кристалітів недостатньо для того, щоб перекрити весь діапазон значень кутів q. Якщо ж розмір кристалітів менш 10-5 см, то дифракційні лінії стають ширшими. Їх ширина обернено пропорційна розміру кристалітів. Розширення відбувається з тієї ж причини, по якій при зменшенні числа щілин зменшується роздільна здатність дифракційної решітки. Рентгенівське випромінювання дозволяє визначати розміри зерен в діапазоні 10-7-10-6 см.
Методи для монокристалів.Щоб дифракція на кристалі давала інформацію не тільки про просторовому періоді, але і про орієнтацію кожної сукупності дифрагує площин, використовуються методи обертового монокристалла. На кристал падає монохроматичне пучок рентгенівського випромінювання. Кристал обертається навколо головної осі, для якої виконуються рівняння Лауе. При цьому змінюється кут q, що входить в формулу Брегга - Вульфа. Дифракційні максимуми розташовуються в місці перетину дифракційних конусів Лауе з циліндричною поверхнею плівки (рис. 9). В результаті виходить дифракційна картина типу представленої на рис. 10. Однак можливі ускладнення через перекриття різних дифракційних порядків в одній точці. Метод може бути значно вдосконалений, якщо одночасно з обертанням кристала переміщати певним чином і плівку.





Дослідження рідин і газів.Відомо, що рідини, гази і аморфні тіла не мають правильної кристалічної структурою. Але і тут між атомами в молекулах існує хімічний зв'язок, завдяки якій відстань між ними залишається майже постійним, хоча самі молекули в просторі орієнтовані випадковим чином. Такі матеріали теж дають дифракційну картину з відносно невеликим числом розмитих максимумів. Обробка такої картини сучасними методами дозволяє отримати інформацію про структуру навіть таких некристалічних матеріалів.
Спектрохімічних РЕНТГЕНІВСЬКИЙ АНАЛІЗ
Вже через кілька років після відкриття рентгенівських променів Ч. Баркла (1877-1944) виявив, що при впливі потоку рентгенівського випромінювання високої енергії на речовину виникає вторинне флуоресцентне рентгенівське випромінювання, характеристичне для досліджуваного елемента. Незабаром після цього Г.Мозлі в серії своїх експериментів виміряв довжини хвиль первинного характеристичного рентгенівського випромінювання, отриманого електронним бомбардуванням різних елементів, і вивів співвідношення між довжиною хвилі і атомним номером. Ці експерименти, а також винахід Брегг рентгенівського спектрометра заклали основу для проведення електрохімічних рентгенівського аналізу. Можливості рентгенівського випромінювання для хімічного аналізу були відразу усвідомлені. Були створені спектрографи з реєстрацією на фотоплівці, в яких досліджуваний зразок виконував роль анода рентгенівської трубки. На жаль, така техніка виявилася дуже трудомісткою, а тому застосовувалася лише тоді, коли були непридатні звичайні методи хімічного аналізу. Видатним прикладом новаторських досліджень в області аналітичної рентгеноспектроскопіі стало відкриття в 1923 Г. Хевеши і Д. Костером нового елемента - гафнію. Розробка потужних рентгенівських трубок для рентгенографії і чутливих детекторів для радіохімічних вимірювань під час Другої світової війни в значній мірі зумовила швидке зростання рентгенівської спектрографії в наступні роки. Цей метод набув широкого поширення завдяки швидкості, зручності, неруйнівного характеру аналізу і можливості повної або часткової автоматизації. Він застосуємо в задачах кількісного і якісного аналізу всіх елементів з атомним номером більше 11 (натрій). І хоча рентгенівський спектрохімічних аналіз зазвичай використовується для визначення найважливіших компонентів у зразку (з вмістом 0,1-100%), в деяких випадках він придатний для концентрацій 0,005% і навіть нижче.
Рентгенівський спектрометр.Сучасний рентгенівський спектрометр складається з трьох основних систем (рис. 11): системи збудження, тобто рентгенівської трубки з анодом з вольфраму або іншого тугоплавкого матеріалу і блоком живлення; системи аналізу, тобто кристала-аналізатора з двома многощелевой коліматорами, а також спектрогоніометра для точної юстирування; і системи реєстрації з лічильником Гейгера або пропорційним або сцинтиляційних лічильником, а також випрямлячем, підсилювачем, перерахункових пристроями і самописцем або іншим реєструючим пристроєм.



Рентгенівський флуоресцентний аналіз.Аналізований зразок розташовується на шляху збудливого рентгенівського випромінювання. Досліджувана область зразка зазвичай виділяється маскою з отвором потрібного діаметра, а випромінювання проходить через коліматор, що формує паралельний пучок. За кристалом-аналізатором щілинний коліматор виділяє дифрагованим випромінювання для детектора. Зазвичай максимальний кут q обмежується значеннями 80-85 °, так що дифрагувати на кристалі-аналізаторі може тільки той рентгенівське випромінювання, довжина хвилі l якого пов'язана з межплоскостним відстанню d нерівністю l Рентгенівський мікроаналіз.Описаний вище спектрометр з плоским кристалом-аналізатором може бути пристосований для мікроаналізу. Це досягається звуженням або первинного пучка рентгенівського випромінювання, або вторинного пучка, що випускається зразком. Однак зменшення ефективного розміру зразка або апертури випромінювання призводить до зменшення інтенсивності реєстрованого діфрагованого випромінювання. Поліпшення цього методу може бути досягнуто застосуванням спектрометра з вигнутим кристалом, що дозволяє реєструвати конус розходиться випромінювання, а не тільки випромінювання, паралельне осі коліматора. За допомогою такого спектрометра можна ідентифікувати частинки розміром менше 25 мкм. Ще більше зменшення розміру аналізованого зразка досягається в електронно-зондовом рентгенівському мікроаналізаторах, винайденому Р.Кастеном. Тут остросфокусірованним електронним променем збуджується характеристичне рентгенівське випромінювання зразка, яке потім аналізується спектрометром з вигнутим кристалом. За допомогою такого приладу вдається виявляти кількості речовини порядку 10-14 г в зразку діаметром 1 мкм. Були також розроблені установки з електронно-променевою скануванням зразка, за допомогою яких можна отримати двовимірну картину розподілу за зразком того елемента, на характеристичне випромінювання якого налаштований спектрометр.
МЕДИЧНА РЕНТГЕНОДІАГНОСТИКА
Розвиток техніки рентгенівських досліджень дозволило значно скоротити час експозиції і поліпшити якість зображень, що дозволяють вивчати навіть м'які тканини.
Флюорографія.Цей метод діагностики полягає в фотографуванні тіньового зображення з просвічує екрану. Пацієнт перебуває між джерелом рентгенівського випромінювання і плоским екраном з люмінофора (зазвичай йодиду цезію), який під дією рентгенівського випромінювання світиться. Біологічні тканини тій чи іншій мірі щільності створюють тіні рентгенівського випромінювання, що мають різну ступінь інтенсивності. Лікар-рентгенолог досліджує тіньове зображення на люмінесцентному екрані і ставить діагноз. У минулому рентгенолог, аналізуючи зображення, покладався на зір. Зараз є різноманітні системи, які посилюють зображення, що виводять його на телевізійний екран або записуючі дані в пам'яті комп'ютера.
Рентгенографія.Запис рентгенівського зображення безпосередньо на фотоплівці називається рентгенографією. В цьому випадку досліджуваний орган розташовується між джерелом рентгенівського випромінювання і фотоплівкою, яка фіксує інформацію про стан органу в даний момент часу. Повторна рентгенографія дає можливість судити про його подальшої еволюції. Рентгенографія дозволяє досить точно дослідити цілісність кісткових тканин, які складаються в основному з кальцію і непрозорі для рентгенівського випромінювання, а також розриви м'язових тканин. З її допомогою краще, ніж стетоскопом або прослуховуванням, аналізується стан легенів при запаленні, туберкульозі або наявності рідини. За допомогою рентгенографії визначаються розмір та форма серця, а також динаміка його змін у пацієнтів, які страждають на серцеві захворювання.
Контрастні речовини.Прозорі для рентгенівського випромінювання частини тіла і порожнини окремих органів стають видимими, якщо їх заповнити контрастною речовиною, нешкідливим для організму, але дозволяє візуалізувати форму внутрішніх органів і перевірити їх функціонування. Контрастні речовини пацієнт або приймає всередину (як, наприклад, барієві солі при дослідженні шлунково-кишкового тракту), або вони вводяться внутрішньовенно (як, наприклад, іодсодержащіе розчини при дослідженні нирок і сечовивідних шляхів). В останні роки, однак, ці методи витісняються методами діагностики, заснованими на застосуванні радіоактивних атомів і ультразвуку.
Комп'ютерна томографія.У 1970-х роках був розвинений новий метод рентгенівської діагностики, заснований на повній зйомці тіла або його частин. Зображення тонких шарів ( "зрізів") обробляються комп'ютером, і остаточне зображення виводиться на екран монітора. Такий метод називається комп'ютерної рентгенівської томографії. Він широко застосовується в сучасній медицині для діагностики інфільтратів, пухлин та інших порушень мозку, а також для діагностики захворювань м'яких тканин всередині тіла. Ця методика не вимагає введення сторонніх контрастних речовин і тому є швидкою і більш ефективною, ніж традиційні методики.
Біологічна дія РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Шкідлива біологічний вплив рентгенівського випромінювання виявилося незабаром після його відкриття Рентгеном. Виявилося, що нове випромінювання може викликати щось на кшталт сильного сонячного опіку (еритему), що супроводжується, однак, більш глибоким і стійким пошкодженням шкіри. З'являлися виразки нерідко переходили в рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці або руки. Траплялися й летальні випадки. Було встановлено, що ураження шкіри можна уникнути, зменшивши час і дозу опромінення, застосовуючи екранівку (наприклад, свинець) і засоби дистанційного керування. Але поступово виявилися і інші, більш довготривалі наслідки рентгенівського опромінення, які були потім підтверджені і вивчені на піддослідних тварин. До ефектів, обумовленим дією рентгенівського випромінювання, а також інших іонізуючих випромінювань (таких, як гамма-випромінювання, що випускається радіоактивними матеріалами) відносяться: 1) тимчасові зміни в складі крові після відносно невеликого надлишкового опромінення; 2) незворотні зміни в складі крові (гемолітична анемія) після тривалого надлишкового опромінення; 3) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію); 4) більш швидке старіння і рання смерть; 5) виникнення катаракт. До всього іншого, біологічні експерименти на мишах, кроликах і мушки (дрозофилах) показали, що навіть малі дози систематичного опромінення великих популяцій внаслідок збільшення темпу мутації призводять до шкідливих генетичних ефектів. Більшість генетиків визнає застосовність цих даних і до людського організму. Що ж стосується біологічного впливу рентгенівського випромінювання на людський організм, то воно визначається рівнем дози опромінення, а також тим, який саме орган тіла піддавався опроміненню. Так, наприклад, захворювання крові викликаються опроміненням кровотворних органів, головним чином кісткового мозку, а генетичні наслідки - опроміненням статевих органів, що можуть призвести також і до стерильності. Накопичення знань про вплив рентгенівського випромінювання на організм людини привело до розробки національних і міжнародних стандартів на допустимі дози опромінення, опублікованих в різних довідкових виданнях. Крім рентгенівського випромінювання, яке цілеспрямовано використовується людиною, є і так зване розсіяне, побічна випромінювання, що виникає з різних причин, наприклад, внаслідок розсіювання через недосконалість свинцевого захисного екрану, який це випромінювання не поглинає повністю. Крім того, багато електричні прилади, які не призначені для отримання рентгенівського випромінювання, проте генерують його як побічний продукт. До таких приладів відносяться електронні мікроскопи, високовольтні випрямні лампи (кенотрони), а також кінескопи застарілих кольорових телевізорів. Виробництво сучасних кольорових кінескопів в багатьох країнах знаходиться зараз під урядовим контролем.
НЕБЕЗПЕЧНІ ФАКТОРИ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Види і ступінь небезпеки рентгенівського опромінення для людей залежать від контингенту осіб, схильних до опроміненню.
Професіонали, що працюють з рентгенівською апаратурою.Ця категорія охоплює лікарів-рентгенологів, лікарів-стоматологів, а також науково-технічних працівників і персонал, що обслуговує і використовує рентгенівську апаратуру. Приймаються ефективні заходи щодо зниження рівня радіації, з яким їм доводиться мати справу.
Пацієнти.Строгих критеріїв тут не існує, і безпечний рівень опромінення, який отримують пацієнти під час лікування, визначається лікарями. Лікарям не рекомендується без необхідності піддавати пацієнтів рентгенівського обстеження. Особливу обережність слід проявляти при обстеженні вагітних жінок і дітей. В цьому випадку приймаються спеціальні заходи.
Методи контролю.Тут маються на увазі три аспекти:
1) наявність адекватного обладнання, 2) контроль за дотриманням правил техніки безпеки, 3) правильне використання обладнання. При рентгенівському обстеженні впливу опромінення повинна зазнавати тільки потрібну ділянку, будь то стоматологічні обстеження або обстеження легенів. Зауважимо, що відразу після виключення рентгенівського апарату зникає як первинне, так і вторинне випромінювання; відсутня також і будь-яке залишкове випромінювання, про що не завжди знають навіть ті, хто за своєю роботою з ним безпосередньо пов'язаний.
Див. також
Атома будова;