Рентгеновские лучи в физике

Рентген как форма электромагнитного излучения: история возникновения и способы использования. .

Рентгеновское излучение наравне с радиоволнами, инфракрасным, ультрафиолетовым излучениями, видимым светом и микроволнами – все это электромагнитное излучение. Касаясь конкретно рентгеновского излучения, всем известно его применение в медицине – аппарат рентген. С помощью рентгеновских лучей можно вылечить опухоль или, например, изучить космос.

Различают несколько типов рентгеновских лучей:

• Мягкие
• Жесткие

Диапазон этого типа располагается между ультрафиолетовым светом и гамма-лучами. У мягких лучей высокие частоты и короткие длины волны.

Находятся в той же области, что и гамма-лучи, только создаются электронами с ускорением.

Рентгеновские лучи: история возникновения

В 1895 году в Германии были впервые найдены снимки с рентгена, их нашел профессор одного из известных университетов Вильгельм Конрад Рентген. Рядом с высоковольтной электронно-лучевой трубкой лежало несколько кристаллов, которые светились флуоресцентным светом. Даже в случае закрывания этих кристаллов темной бумагой, свечение продолжалось. Энергия, исходившая от трубки, проходила сквозь бумагу и освещала кристаллы. В этот момент профессор дал имя ранее неизвестной форме – рентгеновское излучение.

Дальнейшее изучение нового излучения показало свои возможности проникать сквозь ткань, при этом, не проходя через кости. С помощью данного излучения можно было на фотографии увидеть не просто расположение костей, но и тени.

Благодаря своему открытию, в 1901 году Вильгельм Конрад Рентген получил Нобелевскую премию за научные знания в физике. Уже в Первой Мировой Войне рентген стал постоянно использоваться в медицине.

Рентген

Рентгеновское излучение стало очень популярно и востребовано в различных сферах благодаря своей способности проникать через ряд материалов. С помощью рентгена можно было выявить дефекты и трещины. Более того, рентгеновские лучи используют для проверки багажей и грузов на точке контроля безопасности.

Изначально рентгеновские лучи использовались исключительно для просмотра костей, которые легко выделялись, минуя мягкие ткани. Однако на этом освоение рентгеновского излучения не остановилось, и появились более точные и чувствительные методы получения информации. В медицине сегодня уже есть компьютерная томография, которая создает из нескольких рентгеновских снимков один в 3Д виде.

Говоря конкретно о медицине, рентгеновские лучи здесь играют огромную роль, помогая не только получить общую информацию о костях, рентген помогает медицинскому персоналу во время большого количества процедур.

Природа и свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение – это высокочастотное изменение состояния электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве со скоростью около 300 000 км/с, то есть электромагнитные волны. На шкале диапазона электромагнитного излучения рентген располагается в области длин волн от приблизительно 10-8 до 5∙10-12 метров, что на несколько порядков короче оптических волн. Это соответствует частотам от 3∙1016 до 6∙1019 Гц и энергиям от 10 эВ до 250 кэВ, или 1,6∙10-18 до 4∙10-14 Дж. Следует отметить, что границы частотных диапазонов электромагнитного излучения достаточно условны вследствие их перекрытия.

Источником рентгеновского излучения является взаимодействие ускоренных заряженных частиц (электронов высоких энергий) с электрическими и магнитными полями и с атомами вещества.

Фотонам рентгеновских лучей свойственны высокие энергии и большая проникающая и ионизирующая способность, особенно для жесткого рентгена с длинами волн менее 1 нанометра (10-9 м).

Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом, ионизируя его атомы, в процессах фотоэффекта (фотопоглощения) и некогерентного (комптоновского) рассеяния. При фотопоглощении рентгеновский фотон, поглощаясь электроном атома, передает ему энергию. Если ее величина превышает энергию связи электрона в атоме, то он покидает атом. Комптоновское рассеяние характерно для более жестких (энергичных) рентгеновских фотонов. Часть энергии поглощаемого фотона затрачивается на ионизацию; при этом под некоторым углом к направлению первичного фотона излучается вторичный, с меньшей частотой.

Свойства рентгеновских лучей

Ставя на пути данных лучей различные предметы, В. К. Рентген обнаружил их чрезвычайную проникающую способность. Такие вещества, как дерево, ткань и кожа, были прозрачными для Х-лучей; только железные, золотые и свинцовые предметы оказывались почти непрозрачными и давали четкие тени.

По проникающей способности рентгеновские лучи, возникающие при напряжениях между катодом и анодом порядка 20-40 кВ, назвали мягкими, а лучи, возникающий при напряжениях до 400 кВ – жесткими.

Поглощение рентгеновских лучей в веществе характеризуется толщиной слоя половинного поглощения, то есть толщиной слоя однородного вещества, который вдвое уменьшает интенсивность падающего излучения.

Например, для жесткого излучения толщина слоя половинного поглощения свинцом составляет 0,016 см, алюминием – 1,6 см, водой – 4,3 см и т. д.

Роль закона Мозли в атомной физике

Существуют небольшие отклонения от строгой линейной зависимости, выражаемой законом Мозли. Они связаны, во-первых, с особенностями порядка заполнения электронных оболочек у некоторых элементов, и, во-вторых, с релятивистскими эффектами движения электронов тяжелых атомов. Кроме того, при изменении количества нейтронов в ядре (так называемом изотопическом сдвиге) положение линий может слегка меняться. Этот эффект дал возможность детально изучить атомную структуру.

Значение закона Мозли чрезвычайно велико. Последовательное применение его к элементам периодической системы Менделеева установило закономерность увеличения порядкового номера соответственно каждому небольшому сдвигу характеристических максимумов. Это способствовало прояснению вопроса о физическом смысле порядкового номера элементов. Величина Z – это не просто номер: это положительный электрический заряд ядра, представляющий собой сумму единичных положительных зарядов частиц, входящих в его состав. Правильность размещения элементов в таблице и наличие в ней пустых позиций (тогда они еще существовали) получили мощное подтверждение. Была доказана справедливость периодического закона.

Закон Мозли, помимо этого, стал основой, на которой возникло целое направление экспериментальных исследований – рентгеновская спектрометрия.

Применение рентгеновских лучей.

Наиболее широкое применение рентгеновские лучи нашли в медицине для рентгенодиагностики и рентгенотерапии

Важное значение для многих отраслей техники имеет рентгеновская дефектоскопия, например для обнаружения внутренних пороков отливок (раковин, включений шлака), трещин в рельсах, дефектов сварных швов

Рентгеновский структурный анализ позволяет установить пространственное расположение атомов в кристаллической решётке минералов и соединений, в неорганических и органических молекулах. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ (см. Дебая — Шеррера метод). Многочисленными применениями рентгеновских лучей для изучения свойств твёрдых тел занимается рентгенография материалов.

Рентгеновская микроскопия позволяет, например, получить изображение клетки, микроорганизма, увидеть их внутреннее строение. Рентгеновская спектроскопия по рентгеновским спектрам изучает распределение плотности электронных состояний по энергиям в различных веществах, исследует природу химической связи, находит эффективный заряд ионов в твёрдых телах и молекулах. Спектральный анализ рентгеновский по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургических и цементных заводах, обогатительных фабриках. При автоматизации этих предприятий применяются в качестве датчиков состава вещества рентгеновские спектрометры и квантометры (см. Спектральная аппаратура рентгеновская).

Рентгеновские лучи, приходящие из космоса, несут информацию о химическом составе космических тел и о физических процессах, происходящих в космосе. Исследованием космических рентгеновских лучей занимается рентгеновская астрономия. Мощные рентгеновские лучи используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации материалов, крекинга органических веществ. Рентгеновские лучи применяют также для обнаружения старинной живописи, скрытой под слоем поздней росписи, в пищевой промышленности для выявления инородных предметов, случайно попавших в пищевые продукты, в криминалистике, археологии и др.

История открытия рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение – это диагностический метод исследования человеческого организма, который был открыт абсолютно случайно. Произошло это в 1895 г. во время проведения опытов немецким физиком, профессором Вюрцбургского университета – В. Рентгеном.

Ученый находился в лаборатории учебного заведения, где являлся заведующим кафедрой. Он проводил эксперименты с физическими свойствами катодных лучей (потоком положительно заряженных электронов внутри разрядных трубок).

В процессе работы профессор заметил, что поверхность экрана, которая была покрыта слоем кристаллов из цианоплатинита бария, начала светиться ярким светом. При этом объект находился в непосредственной близости к вакуумной трубке, где происходило движение положительно заряженных частиц.

В своем заключении уникального лабораторного эксперимента В. Рентген указал, что им было открыто ранее неизвестное науке излучение. Для научного обозначения профессор идентифицировал их, как Х-лучи. Ученый установил, что степень проницаемости излучения напрямую зависит от плотности структуры объекта, на который направлен поток электромагнитных волн.

В этот же день В. Рентген поместил кисть своей руки между экраном с цианоплатинитом бария и разрядной трубкой, которая выделяла катодные лучи. Так был получен первый примитивный рентгеновский снимок костей верхней конечности. Следом за открытием немецкого ученого последовали новые исследования в этом направлении.

Большой вклад в историю изучения и применения рентгеновского излучения, внесли такие ученые, как Фридрих, Книппинг, Лауэ. Эти физики продемонстрировали миру свойства лучей рентгена при взаимодействии с кристаллическими веществами. В 1913 г. профессор Г. Мозли смог установить прямую взаимосвязь между длиной волны излучения и атомным номером химического вещества, на которое направлены лучи.

В этом же году ученый сконструировал первую рентгеновскую трубку, которая являлась высоковакуумной, а также работала с подогретым катодом. Данное устройство давало возможность получать более мощное рентгеновское излучение, которое имело большую длину электромагнитных волн.

Рентгеновское излучение, история создания.

В 1915 г. физику Л. Брэгги удалось продвинуться еще дальше, и он смог разработать научную базу для рентгеноструктурного анализа, который лег в основу использования рентгена, как диагностической методики в области медицины. За свои труды в этом же году ученый получил Нобелевскую премию.

Применение рентгеновских лучей в медицине

Первые рентгеновские аппараты давали возможность врачам изучать исключительно структуру костных тканей, определять их целостность, а также участки возможных повреждений. Развитие технического прогресса привело к сокращению продолжительности экспозиции при фотофиксации, а также улучшило качество съемки.

Современное рентгенологическое оборудование позволяет докторам изучать даже мягкие ткани, своевременно определять их патологии и начинать лечение. В медицинской практике электромагнитные волны рентгеновского типа используются в процессе проведения следующих диагностических процедур:

Флюорография

Этот метод исследования предусматривает фотофиксацию теневого изображения. Пациент занимает исходную позицию между источником излучения и специальным экраном, поверхность которого выполнена из иодида цезия. Под воздействием электромагнитного излучения указанный элемент начинает светиться.

Ткани внутренних органов, оказавшиеся на пути лучей, создают эффект тени, которые имеют разную степень затемненности. Врач-рентгенолог, который проводит обследование пациента, фиксирует снимок на люминесцентном экране, увеличивает изображение и определяет участки патологического состояния тканей легких и сердца.

Современное оборудование позволяет увеличить фотографию до максимальных пределов, чтобы доктор не полагался исключительно на остроту своего зрения. Также используются компьютеры, которые сохраняют данные об истории болезни конкретного пациента.

Рентгенография

Это процесс записи изображения на рентгеновскую пленку. В данном случае исследуемый участок тела находится между источником ионизирующего излучения и пленкой, которая закреплена в аппарате. Заряженные частицы лучей проходят сквозь тело пациента, после чего изображение внутренних органов, мягких тканей или костей, переносится на снимок.

Как и в случае с флюорографией, врач выполняет изучение полученной информации. Данный метод особенно эффективен при диагностике трещин, переломов, вывихов, определении воспалительных процессов в костной ткани.

Контрастные вещества

Отдельные внутренние органы человеческого организма имеют полую структуру, либо становятся бесцветными под воздействием ионизирующего излучения, не создают тени на снимке (например, кишечник, мочевой пузырь, почки).

В таком случае используют контрастные вещества, который пациент употребляет в желудочно-кишечный тракт (соли бария) или же ему их вводят внутривенно (иодсодержащий раствор). После этого выполняется рентгенологическая фиксация внутреннего органа, который имеет признаки болезни.

Компьютерная томография

Была разработана в 1970 г. Это разновидность рентгеновской диагностики. Принцип проведения обследования с использованием данного способа заключается в том, что пациент помещается в специальный бокс, а медицинское оборудование осуществляет съемку всего тела. Это компьютерная рентгеновская томография.

Позволяет обнаружить опухолевые процессы в тканях внутренних органов и костях, обнаружить вялотекущие и острые воспаления, внутренние кровотечения. Преимущество данного метода заключается в том, что в организм пациента не требуется вводить контрастные вещества и прочие растворы.

Рентген в медицине

Открытие рентгеновских лучей в корне изменило жизнь человека. Сегодня не существует такой области, где бы эти лучи не использовались. Самым главным пользователем открытия была и остается медицина.

«Не просто протереть маслом»: опытный столяр об уходе за деревянной посудой

Токийскому автосалону Tokyo Auto Salon 2021 все же быть. Но в цифровом формате

SuperJob: большинство москвичей не захотели возвращаться в офис с удаленки

Лучи стали одним из лучших инструментов для работы с человеческой анатомией. С началом использования рентгена исследование и лечение проблем костей ускорилось в несколько раз.

Сейчас активно изучается влияние лучей на онкологию

Х-лучи используются, но крайне осторожно и в небольших дозах, потому что они убивают не только больные, но и здоровые клетки. Именно поэтому после лечения такого типа людям нужно значительно больше времени на восстановление, чем в других случаях

Естественное рентгеновское излучение[править | править код]

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, т. к. полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.

Рентгеновская трубка

Одновременно с изучением свойств рентгеновских лучей совершенствовалась рентгеновская трубка.

При длительной работе трубки сфокусированные катодные лучи, которые падают на антикатод, в значительной степени нагревают его. Поэтому для антикатода нужен тугоплавкий материал с хорошей теплопроводностью, потому антикатод приходится охлаждать проточной водой или маслом.

В 1913 г. газоразрядные ионные рентгеновские трубки начали заменять более совершенными электронными трубками Кулиджа. В этих трубках высокого вакуума (1-0,01 Па) источником электронов является накаливаемая током вольфрамовая спираль:

Катод ККК содержится в молибденовом цилиндре, который фокусирует ускоряющиеся электроны на антикатоде АкА_кАк​ и одновременно играет роль анода.

Электронные рентгеновские трубки значительно мощнее, в них ток достигает ~ 0,2 ААА, поэтому при напряжении 100 кВ они потребляют мощность около 20 кВт, а при более высоких напряжениях – еще больше. Для такого устойчивого высокого напряжения используют высоковольтные технические трансформаторы с замкнутым магнитопроводом и выпрямители.

Получение[править | править код]

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения (см. рентгеновская трубка).

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (в основном электронов) либо же при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные раскалённым катодом, ускоряются (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. н. тормозное излучение) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с определённой, характерной для материала анода, энергией (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: ν=A(Z−B)\sqrt \nu = A(Z — B)
, где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена.
В процессе ускорения-торможения лишь 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Т. н. синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Природа рентгеновских лучей и их основные свойства

Рентгеновы лучи — это разновидность электромагнитных волн, к числу которых относятся также световые лучи, гамма-лучи радия и лучи, испускаемые радиоантеннами. Электромагнитные волны группируют по их длинам. В длинноволновом конце спектра их длина колеблется от 10 см до нескольких километров. С уменьшением начинается область инфракрасных или тепловых волн. Область видимого света включает длины волн (в зависимости от цвета) от 800 до 400 мм к. К ультрафиолетовой области относятся волны от 180 до 10 мм к.

Волны от 15А до 0.03А характерны для рентгеновых лучей. Меньшие длины волн, порядка 0,001 А, имеют гамма-лучи радиоактивного распада. Единица длины ангстрем (А) равна одной стомиллионной доле сантиметра.

Все эти типы излучений отличаются один от другого по природе возникновения и характеру взаимодействия с окружающей средой. Различные свойства лучей обусловлены неодинаковой длиной волны.

Электромагнитные колебания характеризуются также величиной энергии квантов (квант — отдельная порция энергии излучения). Чем меньше длина волны излучения, тем больше величина энергии квантов.

Законы распространения рентгеновых лучей подобны законам распространения света. Как световое излучение, рентгеновы лучи при взаимодействии со средой частично поглощаются, частично отражаются и рассеиваются. Но так как длина волны рентгеновых лучей мала, а энергия квантов велика, то они обладают еще другими свойствами: 1) проникают через среды различной плотности — картон, дерево, ткани организма животного и т. д. Проникающая способность рентгеновых лучей тем больше, чем короче длина волны и, следовательно, больше энергия квантов. Глубина проникновения рентгеновых лучей в ту или иную среду, или степень ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через слой того или другого материала, зависит не только от коротковолновости или энергии квантов, но и от свойств материала: чем плотнее среда, тем больше в ней поглощаются рентгеновы лучи. Например, слой воды толщиной 35 см ослабляет интенсивность потока рентгеновых лучей, генерированных при напряжении 200 кв, в такой же степени, как слой железа 4,75 см или бетона толщиной 17,23 см;

2) вызывают свечение — люминесценцию некоторых химических соединений. Одни вещества светятся в момент действия рентгеновых лучей, такое свечение называется флуоресценцией. Другие вещества продолжают светиться некоторое время после того, как рентгеновы лучи прекратили действие, это свечение называется фосфоресценцией;

3) подобно видимому свету, вызывают изменения в галоидных соединениях серебра, входящих в состав фотоэмульсий. Иначе говоря, вызывают фотохимические реакции;

4) вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул. В результате ионизации образуются положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. Ионизированная среда становится проводником электрического тока. Это свойство используют для измерения интенсивности лучей с помощью так называемой ионизационной камеры.

В основе биологического действия рентгеновых лучей лежит явление ионизации.

История открытия[править | править код]

Рентгеновская фотография (рентгенограмма) руки своей жены, сделанная В. К. Рентгеном

Открытие рентгеновского излучения приписывается Вильгельму Конраду Рентгену. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал икс-лучами (x-ray). Статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» была опубликована 28-го декабря года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества. Считается, однако, доказанным, что рентгеновские лучи были уже получены до этого. Катодолучевая 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 Крукса и с года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов. Также Никола Тесла, начиная с года, экспериментировал с катодолучевыми трубками, получил рентгеновские лучи, но не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи, названные впоследствие его именем, независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодолучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября года по март года) и опубликовал о них всего три сравнительно небольших статьи, но в них было дано столь исчерпывающее описание новых лучей, что 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 его жены, которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа)

Подобная слава принесла Рентгену в году первую Нобелевскую премию по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В году впервые было употреблено название «рентгеновские лучи»

В некоторых странах осталось старое название — X-лучи. В России лучи стали называть «рентгеновскими» с подачи ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе.

Виды рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны и заряженные частицы, которые классифицируют по видам исходя из их целевого назначения, конструкции, природы происхождения и типа анода. В таблице ниже указаны виды рентгеновского излучения, а также их краткое описание.

Свойства рентгеновских лучей

Поскольку X-лучи вызывали свечение экранов, чувствительных к УФ-излучению, предположили, что природа этих лучей близка к природе ультрафиолета. Однако сразу была открыта гораздо большая проникающая способность X-лучей. Если ультрафиолетовые лучи полностью задерживались достаточно тонким слоем многих веществ, то X-лучи глубоко проникали в большинство сред.

Было выявлено, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение с еще более короткой длиной волны, чем у УФ-излучение. Диапазон частот X-лучей лежал в пределах $10^{18}$ Гц — $10^{20}$ Гц. Кратко говоря, X-лучи испускаются в соответствии с законами электродинамики в результате резкого торможения электронов катодных лучей в веществе. При этом спектр излучения получается непрерывным.

Позже были открыты и линейчатые рентгеновские спектры, которые возникают при переходах электронов между энергетическими уровнями в атомах. Кроме того, при распространении в веществе рентгеновские лучи способны к ионизации: электроны внешних оболочек получают энергию, достаточную, чтобы покинуть атом, образуя в веществе заряженные ионы.

Самым замечательным свойством Х-лучей оказалось то, что при проникновении сквозь вещество они ослаблялись пропорционально плотности этого вещества. И особенно заметна эта зависимость была, если плотность вещества была близка к плотности воды.

Поскольку биологическая ткань имеет как раз такую плотность, то если она располагалась на пути X-лучей, на экране отчетливо были видны все ее неоднородности — кости, сухожилия, внутренние полости. Появилась возможность медицинских исследований внутренних органов человека без хирургического вмешательства. Это и обусловило широчайшее применение X-лучей в медицине и лучевой диагностике.

Рис. 2. Медицинский рентгеновский аппарат.

Не менее важным свойством рентгеновских лучей, нашедшим применение в рентгеноструктурном анализе, явилась дифракция рентгеновского излучения на атомах вещества. По дифракционной картине излучения, прошедшего сквозь кристалл, можно исследовать пространственную структуру молекул и даже отдельных атомов.

Именно рентгеноструктурный анализ позволил установить строение сложных органических молекул — белков и ДНК.

Еще одна сфера использования рентгеновских лучей — дефектоскопия. За счет малой длины волны становится возможным находить самые мелкие неоднородности и разрушения в веществе, предотвращая серьезные разрушения и аварии.

Рис. 3. Рентгеноструктурный анализ.

Что мы узнали?

Рентгеновские лучи — это электромагнитное излучение малой длины волны. Оно обладает большой проникающей способностью, а также способно ионизировать вещество. Проникающая способность и малая длина волны определяют сферу применения рентгеновских лучей — медицина, дефектоскопия, рентгеноструктурный анализ.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Механизм генерации характеристического рентгеновского излучения

Итак, причиной возникновения данного излучения является образование электронных вакансий во внутренних оболочках, обусловленное проникновением высокоэнергичных электронов глубоко внутрь атома. Вероятность того, что жесткий электрон вступит во взаимодействие, возрастает с увеличением плотности электронных облаков. Следовательно, наиболее вероятным будет столкновение в пределах плотно упакованных внутренних оболочек, например, самой нижней К-оболочки. Здесь атом ионизируется, и в оболочке 1s образуется вакансия.

Эта вакансия заполняется электроном из оболочки с большей энергией, избыток которой уносится рентгеновским фотоном. Этот электрон может «упасть» из второй оболочки L, из третьей М и так далее. Так формируется характеристическая серия, в данном примере – К-серия. Указание на то, откуда происходит заполнивший вакансию электрон, дается в виде греческого индекса при обозначении серии. «Альфа» означает, что он происходит из L-оболочки, «бета» – из М-оболочки. В настоящее время существует тенденция к замене греческих буквенных индексов латинскими, принятыми для обозначения оболочек.

Интенсивность альфа-линии в серии всегда наивысшая – это значит, что вероятность заполнения вакансии из соседней оболочки самая высокая.

Теперь мы можем ответить на вопрос, какова максимальная энергия кванта характеристического рентгеновского излучения. Она определяется разностью значений энергии уровней, между которыми совершается переход электрона, по формуле E = E_n2 – E_n1, где E_n2 и E_n1 – энергии электронных состояний, между которыми произошел переход. Наивысшее значение этого параметра дают переходы К-серии с максимально высоких уровней атомов тяжелых элементов. Но интенсивность этих линий (высота пиков) самая малая, поскольку они наименее вероятны.

Если из-за недостаточности напряжения на электродах жесткий электрон не может достичь К-уровня, он образует вакансию на L-уровне, и формируется менее энергичная L-серия с большими длинами волн. Аналогичным образом рождаются последующие серии.

Кроме того, при заполнении вакансии в результате электронного перехода возникает новая вакансия в вышележащей оболочке. Это создает условия для генерирования следующей серии. Электронные вакансии перемещаются выше с уровня на уровень, и атом испускает каскад характеристических спектральных серий, оставаясь при этом ионизированным.

Похожие записи:

Карта ленорман «луна» в гадании: значение и сочетание с другими картами Стрижка волос 3 февраля 2020 года Рожденные 7 мая знак зодиака телец: характеристика личности Гадание на новое знакомство «самовар к чему снится во сне? если видишь во сне самовар, что значит?» Мужчина рак: характеристики знака зодиака