Historie objevu a aplikace rentgenového záření. Přednáška Rentgenové záření Rentgenové vlny
Rentgenové záření je elektromagnetické vlnění o vlnové délce přibližně 80 až 10 -5 nm. Rentgenové záření s nejdelší vlnovou délkou je pokryto krátkovlnným ultrafialovým zářením, krátkovlnné - dlouhovlnným γ-zářením. Podle způsobu buzení se rentgenové záření dělí na brzdné a charakteristické.
31.1. RTG ZAŘÍZENÍ. Bremsstrahlung X-RAY
Nejběžnějším zdrojem rentgenového záření je rentgenka, což je dvouelektrodové vakuové zařízení (obr. 31.1). Vyhřívaná katoda 1 emituje elektrony 4. Anoda 2, často označovaná jako antikatoda, má nakloněný povrch, aby směrovala výsledné rentgenové záření. 3 v úhlu k ose trubky. Anoda je vyrobena z vysoce tepelně vodivého materiálu pro odvod tepla generovaného dopadem elektronů. Povrch anody je vyroben ze žáruvzdorných materiálů s velkým atomovým číslem v periodické tabulce, jako je wolfram. V některých případech je anoda speciálně chlazena vodou nebo olejem.
U diagnostických elektronek je důležitá přesnost zdroje rentgenového záření, které lze dosáhnout fokusací elektronů do jednoho místa antikatody. Konstruktivně je tedy třeba vzít v úvahu dva protikladné úkoly: na jedné straně musí elektrony dopadat na jedno místo anody, na druhé straně, aby se zabránilo přehřátí, je žádoucí distribuovat elektrony do různých částí anody. anoda. Jedním ze zajímavých technických řešení je rentgenka s rotující anodou (obr. 31.2).
V důsledku zpomalení elektronu (nebo jiné nabité částice) elektrostatickým polem atomového jádra a atomovými elektrony látky antikatody se brzdné záření.
Jeho mechanismus lze vysvětlit následovně. Pohybující se elektrický náboj je spojen s magnetickým polem, jehož indukce závisí na rychlosti elektronu. Při brzdění magnetický
indukce a v souladu s Maxwellovou teorií se objevuje elektromagnetická vlna.
Při zpomalování elektronů jde pouze část energie na vytvoření rentgenového fotonu, druhá část se spotřebuje na ohřev anody. Vzhledem k tomu, že poměr mezi těmito částmi je náhodný, při zpomalení velkého počtu elektronů se vytvoří spojité spektrum rentgenového záření. V tomto ohledu se brzdné záření nazývá také spojité. Na Obr. 31.3 jsou uvedeny závislosti toku rentgenového záření na vlnové délce λ (spekter) při různých napětích v rentgence: U 1< U 2 < U 3 .
V každém ze spekter je nejkratší vlnová délka brzdného záření λ ηίη vzniká, když se energie získaná elektronem v urychlovacím poli zcela přemění na energii fotonu:
Všimněte si, že na základě (31.2) byla vyvinuta jedna z nejpřesnějších metod pro experimentální stanovení Planckovy konstanty.
Krátkovlnné rentgenové paprsky mají obvykle větší pronikavou sílu než dlouhovlnné a jsou tzv tvrdý, a dlouhé vlny měkký.
Zvyšováním napětí na rentgence se mění spektrální složení záření, jak je patrné z Obr. 31.3 a vzorce (31.3) a zvýšit tuhost.
Pokud se teplota katodového vlákna zvýší, pak se zvýší emise elektronů a proud v trubici. To zvýší počet rentgenových fotonů emitovaných každou sekundu. Jeho spektrální složení se nezmění. Na Obr. 31.4 ukazuje rentgenové brzdné záření při stejném napětí, ale při různých proudech katodových vláken: / n1< / н2 .
Tok rentgenového záření se vypočítá podle vzorce:
kde U A já- napětí a proud v rentgence; Z- pořadové číslo atomu látky anody; k- koeficient proporcionality. Spektra získaná z různých antikatod současně U a IH jsou znázorněny na Obr. 31.5.
31.2. CHARAKTERISTICKÉ RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ. ATOMOVÁ RTG SPEKTRA
Zvýšením napětí na rentgence si lze všimnout vzhledu čárového spektra na pozadí spojitého spektra, což odpovídá
charakteristické rentgenové paprsky(obr. 31.6). Vzniká díky tomu, že urychlené elektrony pronikají hluboko do atomu a vyřazují elektrony z vnitřních vrstev. Elektrony z horních hladin se přesouvají do volných míst (obr. 31.7), v důsledku toho jsou emitovány fotony charakteristického záření. Jak je patrné z obrázku, charakteristické rentgenové záření se skládá ze série K, L, M atd., jejichž název sloužil k označení elektronických vrstev. Protože emise řady K uvolňují místa ve vyšších vrstvách, jsou současně vyzařovány i čáry jiných řad.
Na rozdíl od optických spekter jsou charakteristická rentgenová spektra různých atomů stejného typu. Na Obr. 31.8 ukazuje spektra různých prvků. Rovnoměrnost těchto spekter je dána tím, že vnitřní vrstvy různých atomů jsou stejné a liší se pouze energeticky, jelikož silový účinek z jádra roste s nárůstem pořadového čísla prvku. Tato okolnost vede k tomu, že charakteristická spektra se s rostoucím jaderným nábojem posouvají směrem k vyšším frekvencím. Tento vzor je viditelný z obr. 31.8 a známý jako Moseleyho zákon:
kde proti- frekvence spektrální čáry; Z- atomové číslo emitujícího prvku; ALE A V- trvalé.
Mezi optickým a rentgenovým spektrem je ještě jeden rozdíl.
Charakteristické rentgenové spektrum atomu nezávisí na chemické sloučenině, ve které je tento atom obsažen. Takže například rentgenové spektrum atomu kyslíku je stejné pro O, O 2 a H 2 O, zatímco optická spektra těchto sloučenin jsou výrazně odlišná. Tato vlastnost rentgenového spektra atomu byla základem pro název charakteristický.
Charakteristické záření vzniká vždy, když je ve vnitřních vrstvách atomu volný prostor, bez ohledu na důvod, který jej způsobil. Takže např. charakteristické záření doprovází jeden z typů radioaktivního rozpadu (viz 32.1), který spočívá v zachycení elektronu z vnitřní vrstvy jádrem.
31.3. INTERAKCE RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ S LÁTKOU
Registrace a využití rentgenového záření, stejně jako jeho dopad na biologické objekty, jsou určeny primárními procesy interakce rentgenového fotonu s elektrony atomů a molekul látky.
Podle poměru energie hv fotonová a ionizační energie 1 A a existují tři hlavní procesy.
Koherentní (klasický) rozptyl
K rozptylu dlouhovlnného rentgenového záření dochází především beze změny vlnové délky a je tzv koherentní. Nastává, pokud je energie fotonu menší než ionizační energie: hv< A a.
Protože se v tomto případě energie rentgenového fotonu a atomu nemění, koherentní rozptyl sám o sobě nezpůsobuje biologický efekt. Při vytváření ochrany proti rentgenovému záření je však třeba vzít v úvahu možnost změny směru primárního paprsku. Tento druh interakce je důležitý pro rentgenovou difrakční analýzu (viz 24.7).
Nekoherentní rozptyl (Comptonův efekt)
V roce 1922 A.Kh. Compton při pozorování rozptylu tvrdých rentgenových paprsků objevil pokles pronikavosti rozptýleného paprsku ve srovnání s dopadajícím paprskem. To znamenalo, že vlnová délka rozptýleného rentgenového záření byla větší než vlnová délka dopadajícího rentgenového záření. Rozptyl rentgenového záření se změnou vlnové délky se nazývá nesouvislý nym a samotný fenomén - Comptonův efekt. Nastává, pokud je energie rentgenového fotonu větší než ionizační energie: vv > A a.
Tento jev je způsoben tím, že při interakci s atomem energie hv foton je vynaložen na výrobu nového rozptýleného rentgenového fotonu s energií hv", oddělit elektron od atomu (ionizační energie A u) a předat elektronu kinetickou energii E na:
hv \u003d hv " + A a + E k.(31.6)
1 Ionizační energií se zde rozumí energie potřebná k odstranění vnitřních elektronů z atomu nebo molekuly.
Protože v mnoha případech hv>> A a a Comptonův jev se vyskytuje na volných elektronech, pak můžeme přibližně napsat:
hv = hv"+ E K.(31.7)
Je příznačné, že při tomto jevu (obr. 31.9) se spolu se sekundárním rentgenovým zářením (energie hv"foton) se objevují zpětné elektrony (kinetická energie E do elektron). Atomy nebo molekuly se pak stanou ionty.
fotoelektrický efekt
Při fotoelektrickém jevu je rentgenové záření absorbováno atomem, v důsledku čehož vyletí elektron a atom je ionizován (fotoionizace).
Tři hlavní interakční procesy diskutované výše jsou primární, vedou k následným sekundárním, terciárním atd. jevy. Například ionizované atomy mohou vyzařovat charakteristické spektrum, excitované atomy se mohou stát zdroji viditelného světla (rentgenová luminiscence) atd.
Na Obr. 31.10 je schéma možných procesů, ke kterým dochází při vstupu rentgenového záření do látky. Než se energie rentgenového fotonu přemění na energii molekulárního tepelného pohybu, může proběhnout několik desítek procesů podobných tomu, který je znázorněn. V důsledku toho dojde ke změnám v molekulárním složení látky.
Procesy znázorněné diagramem na Obr. 31.10, jsou základem jevů pozorovaných při působení rentgenového záření na hmotu. Pojďme si některé z nich uvést.
Rentgenová luminiscence- záře řady látek pod rentgenovým zářením. Taková záře platinokyanového barya umožnila Roentgenovi objevit paprsky. Tento jev se používá k vytvoření speciálních světelných clon za účelem vizuálního pozorování rentgenových paprsků, někdy ke zvýšení působení rentgenových paprsků na fotografickou desku.
Chemické působení rentgenového záření je známé např. vznik peroxidu vodíku ve vodě. Prakticky důležitým příkladem je efekt na fotografickou desku, který umožňuje takové paprsky detekovat.
Ionizační účinek se projevuje zvýšením elektrické vodivosti pod vlivem rentgenového záření. Tato vlastnost je využívána
v dozimetrii ke kvantifikaci účinku tohoto typu záření.
V důsledku mnoha procesů je primární rentgenový paprsek v souladu se zákonem (29.3) zeslaben. Napíšeme to ve tvaru:
I = I0 E-/", (31.8)
kde μ - koeficient lineárního útlumu. Může být reprezentován jako sestávající ze tří členů odpovídajících koherentnímu rozptylu μ κ , nekoherentnímu μ ΗΚ a fotoefektu μ F:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)
Intenzita rentgenového záření je utlumena úměrně počtu atomů látky, kterou toto proudění prochází. Stlačíme-li hmotu podél osy X, například v b krát zvýšením b krát jeho hustota, tedy
31.4. FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY APLIKACE RTG ZÁŘENÍ V MEDICÍNĚ
Jednou z nejdůležitějších lékařských aplikací rentgenového záření je prosvětlování vnitřních orgánů pro diagnostické účely. (rentgenová diagnostika).
Pro diagnostiku se používají fotony o energii asi 60-120 keV. Při této energii je koeficient extinkce hmoty určen hlavně fotoelektrickým jevem. Jeho hodnota je nepřímo úměrná třetí mocnině energie fotonu (úměrná λ 3), která projevuje velkou pronikavost tvrdého záření, a úměrná třetí mocnině atomového čísla absorbující látky:
Významný rozdíl v absorpci rentgenového záření různými tkáněmi vám umožňuje vidět obrazy vnitřních orgánů lidského těla ve stínové projekci.
Rentgenová diagnostika se používá ve dvou verzích: fluoroskopie obraz je prohlížen na rentgenové luminiscenční obrazovce, radiografie - obraz je fixován na film.
Pokud zkoumaný orgán a okolní tkáně zeslabují rentgenové záření přibližně stejně, použijí se speciální kontrastní látky. Takže například při plnění žaludku a střev kašovitou hmotou síranu barnatého je vidět jejich stínový obraz.
Jas obrazu na obrazovce a doba expozice na filmu závisí na intenzitě rentgenového záření. Pokud se používá pro diagnostiku, pak intenzita nemůže být vysoká, aby nedošlo k nežádoucím biologickým následkům. Existuje proto řada technických zařízení, která zlepšují obraz při nízké intenzitě rentgenového záření. Příkladem takového zařízení jsou elektronky zesilovače (viz 27.8). Při hromadném vyšetření populace se hojně využívá varianta radiografie - fluorografie, kdy se na citlivý maloformátový film zaznamená obraz z velké rentgenové luminiscenční obrazovky. Při fotografování se používá objektiv s velkou clonou, hotové snímky se zkoumají na speciální lupě.
Zajímavou a slibnou možností pro rentgenografii je metoda tzv rentgenová tomografie, a jeho "strojová verze" - CT vyšetření.
Zvažme tuto otázku.
Obyčejný rentgenový snímek pokrývá velkou oblast těla, přičemž různé orgány a tkáně se navzájem stíní. Tomu se můžete vyhnout, pokud budete pravidelně pohybovat rentgenkou společně (obr. 31.11) v protifázi RT a film Fp vzhledem k objektu O výzkum. Tělo obsahuje řadu inkluzí, které jsou neprůhledné pro rentgenové záření, na obrázku jsou znázorněny kroužky. Jak můžete vidět, rentgenové paprsky v jakékoli poloze rentgenové trubice (1, 2 atd.) projít
řezání stejného bodu objektu, který je středem, vzhledem k němuž se provádí periodický pohyb RT A Fp. Tento bod, přesněji malá neprůhledná inkluze, je znázorněna tmavým kruhem. Jeho stínový obraz se pohybuje s ním fp, postupně obsazuje pozice 1, 2 atd. Zbývající inkluze v těle (kosti, těsnění atd.) vytvářejí na Fp některé obecné pozadí, protože rentgenové záření jimi není trvale zakryto. Změnou polohy středu švihu je možné získat rentgenový snímek těla vrstvu po vrstvě. Odtud název - tomografie(vrstvený záznam).
Pomocí tenkého rentgenového paprsku je možné promítat (místo Fp), sestávající z polovodičových detektorů ionizujícího záření (viz 32.5) a počítače pro zpracování stínového rentgenového obrazu v tomografii. Tato moderní verze tomografie (počítačová nebo počítačová rentgenová tomografie) umožňuje získat vrstvené snímky těla na obrazovce katodové trubice nebo na papíře s detaily menšími než 2 mm s rozdílem v absorpci rentgenového záření až 0,1 %. To umožňuje například rozlišovat mezi šedou a bílou hmotou mozku a vidět velmi malé nádorové útvary.
Rentgenové záření vzniká, když elektrony pohybující se vysokou rychlostí interagují s hmotou. Když se elektrony srazí s atomy jakékoli látky, rychle ztratí svou kinetickou energii. V tomto případě se většina přemění na teplo a malá část, obvykle méně než 1 %, se přemění na energii rentgenového záření. Tato energie se uvolňuje ve formě kvant – částic nazývaných fotony, které mají energii, ale mají nulovou klidovou hmotnost. Rentgenové fotony se liší svou energií, která je nepřímo úměrná jejich vlnové délce. Při konvenčním způsobu získávání rentgenového záření se získá široký rozsah vlnových délek, který se nazývá rentgenové spektrum. Spektrum obsahuje výrazné složky, jak je znázorněno na obr. jeden.
Rýže. jeden. KONVENČNÍ RENTGENOVÉ SPEKTRUM se skládá ze spojitého spektra (kontinuum) a charakteristických čar (ostré vrcholy). Linie Kia a Kib vznikají díky interakcím urychlených elektronů s elektrony vnitřní K-skořápky.
Široké „kontinuum“ se nazývá spojité spektrum nebo bílé záření. Ostré vrcholy na něm superponované se nazývají charakteristické rentgenové emisní čáry. Přestože je celé spektrum výsledkem srážek elektronů s hmotou, mechanismy vzniku jeho široké části a čar jsou různé. Látka se skládá z velkého počtu atomů, z nichž každý má jádro obklopené elektronovými obaly a každý elektron v obalu atomu daného prvku zaujímá určitou diskrétní energetickou hladinu. Obvykle se tyto slupky nebo energetické hladiny označují symboly K, L, M atd., počínaje skořápkou nejblíže k jádru. Když se dopadající elektron s dostatečně vysokou energií srazí s jedním z elektronů vázaných na atom, vyrazí tento elektron z jeho obalu. Prázdný prostor zabírá další elektron z obalu, který odpovídá vyšší energii. Ten uvolňuje přebytečnou energii vyzařováním rentgenového fotonu. Protože elektrony obalu mají diskrétní energetické hodnoty, výsledné rentgenové fotony mají také diskrétní spektrum. To odpovídá ostrým špičkám pro určité vlnové délky, jejichž konkrétní hodnoty závisí na cílovém prvku. Charakteristické čáry tvoří K-, L- a M-řadu v závislosti na tom, ze kterého obalu (K, L nebo M) byl elektron odstraněn. Vztah mezi vlnovou délkou rentgenového záření a atomovým číslem se nazývá Moseleyův zákon (obr. 2).
Rýže. 2. Vlnová délka CHARAKTERISTICKÉHO RENTGENOVÉHO ZÁŘENÍ emitovaného chemickými prvky závisí na atomovém čísle prvku. Křivka odpovídá Moseleyovu zákonu: čím větší je atomové číslo prvku, tím kratší je vlnová délka charakteristické čáry.
Pokud se elektron srazí s relativně těžkým jádrem, pak se zpomalí a jeho kinetická energie se uvolní ve formě rentgenového fotonu o přibližně stejné energii. Pokud proletí kolem jádra, ztratí jen část své energie a zbytek se přenese na další atomy, které mu padnou do cesty. Každý akt ztráty energie vede k emisi fotonu s určitou energií. Objeví se spojité rentgenové spektrum, jehož horní hranice odpovídá energii nejrychlejšího elektronu. Toto je mechanismus pro vytvoření spojitého spektra a maximální energie (nebo minimální vlnová délka), která fixuje hranici spojitého spektra, je úměrná urychlovacímu napětí, které určuje rychlost dopadajících elektronů. Spektrální čáry charakterizují materiál ostřelovaného terče, zatímco spojité spektrum je určeno energií elektronového paprsku a prakticky nezávisí na materiálu terče.
Rentgenové záření lze získat nejen ostřelováním elektrony, ale také ozářením cíle rentgenovým zářením z jiného zdroje. V tomto případě však většina energie dopadajícího paprsku jde do charakteristického rentgenového spektra a velmi malý zlomek spadá do spojitého spektra. Je zřejmé, že dopadající rentgenový paprsek musí obsahovat fotony, jejichž energie je dostatečná k vybuzení charakteristických čar ostřelovaného prvku. Vysoké procento energie na charakteristické spektrum činí tuto metodu excitace rentgenovým zářením vhodnou pro vědecký výzkum.
rentgenové trubice. Abychom získali rentgenové záření v důsledku interakce elektronů s hmotou, je nutné mít zdroj elektronů, prostředky k jejich urychlení na vysoké rychlosti a terč schopný odolat ostřelování elektrony a produkovat rentgenové záření požadovanou intenzitu. Zařízení, které toto všechno má, se nazývá rentgenka. Raní průzkumníci používali trubice „hlubokého vakua“, jako jsou dnešní výbojky. Vakuum v nich nebylo příliš vysoké.
Výbojkové trubice obsahují malé množství plynu, a když je na elektrody trubice aplikován velký potenciálový rozdíl, atomy plynu se mění na kladné a záporné ionty. Kladné se pohybují směrem k záporné elektrodě (katodě) a při dopadu na ni z ní vyrážejí elektrony a ty se zase pohybují směrem ke kladné elektrodě (anodě) a bombardováním ji vytvářejí proud rentgenových fotonů. .
V moderní rentgence vyvinuté společností Coolidge (obr. 3) je zdrojem elektronů wolframová katoda zahřátá na vysokou teplotu. Elektrony jsou urychlovány na vysoké rychlosti vysokým potenciálovým rozdílem mezi anodou (nebo antikatodou) a katodou. Vzhledem k tomu, že elektrony se musí dostat k anodě, aniž by se srazily s atomy, je zapotřebí velmi vysoké vakuum, pro které musí být trubice dobře evakuována. To také snižuje pravděpodobnost ionizace zbývajících atomů plynu a souvisejících bočních proudů.
Rýže. 3. RTG TUBE COOLIDGE. Při bombardování elektrony vyzařuje wolframová antikatoda charakteristické rentgenové záření. Průřez rentgenového paprsku je menší než skutečná ozařovaná plocha. 1 - elektronový paprsek; 2 - katoda s fokusační elektrodou; 3 - skleněná skořepina (trubice); 4 - wolframový terč (antikatoda); 5 - katodové vlákno; 6 - skutečně ozářená oblast; 7 - efektivní ohnisko; 8 - měděná anoda; 9 - okno; 10 - rozptýlené rentgenové záření.
Elektrony jsou zaostřeny na anodu speciálně tvarovanou elektrodou obklopující katodu. Tato elektroda se nazývá fokusační elektroda a spolu s katodou tvoří „elektronický reflektor“ trubice. Anoda vystavená ostřelování elektrony musí být vyrobena ze žáruvzdorného materiálu, protože většina kinetické energie ostřelujících elektronů se přemění na teplo. Kromě toho je žádoucí, aby anoda byla vyrobena z materiálu s vysokým atomovým číslem, protože rentgenový výtěžek se zvyšuje s rostoucím atomovým číslem. Nejčastěji zvoleným materiálem anody je wolfram, jehož atomové číslo je 74.
Konstrukce rentgenových trubic se může lišit v závislosti na aplikaci a požadavcích.
Rentgenové záření hraje jednu z nejdůležitějších rolí při studiu a praktickém využití atomových jevů. Díky jejich výzkumu bylo učiněno mnoho objevů a vyvinuty metody pro analýzu látek, které se používají v různých oblastech. Zde budeme zvažovat jeden z typů rentgenového záření - charakteristické rentgenové záření.
Povaha a vlastnosti rentgenového záření
Rentgenové záření je vysokofrekvenční změna stavu elektromagnetického pole šířícího se prostorem rychlostí asi 300 000 km/s, tedy elektromagnetického vlnění. Na stupnici rozsahu elektromagnetického záření se rentgenové záření nachází v rozsahu vlnových délek přibližně od 10 -8 do 5∙10 -12 metrů, což je o několik řádů kratší než optické vlny. To odpovídá frekvencím od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz a energiím od 10 eV do 250 keV, neboli 1,6∙10 -18 až 4∙10 -14 J. Je třeba poznamenat, že hranice frekvenčních rozsahů elektromagnetické záření jsou spíše konvenční kvůli jejich překrývání.
Je to interakce urychlených nabitých částic (vysokoenergetických elektronů) s elektrickými a magnetickými poli as atomy hmoty.
Rentgenové fotony se vyznačují vysokými energiemi a vysokou penetrační a ionizační silou, zejména pro tvrdé rentgenové záření s vlnovými délkami menšími než 1 nanometr (10 -9 m).
Rentgenové záření interaguje s hmotou, ionizuje její atomy, v procesech fotoelektrického jevu (fotoabsorpce) a nekoherentního (Comptonova) rozptylu. Při fotoabsorpci foton rentgenového záření, který je absorbován elektronem atomu, mu předává energii. Pokud jeho hodnota překročí vazebnou energii elektronu v atomu, pak atom opustí. Comptonův rozptyl je charakteristický pro tvrdší (energetické) fotony rentgenového záření. Část energie absorbovaného fotonu se spotřebuje na ionizaci; v tomto případě je pod určitým úhlem ke směru primárního fotonu emitován sekundární foton s nižší frekvencí.
Druhy rentgenového záření. Bremsstrahlung
K získání paprsků se používají skleněné vakuové lahve s elektrodami umístěnými uvnitř. Potenciální rozdíl mezi elektrodami musí být velmi vysoký - až stovky kilovoltů. Na wolframové katodě vyhřívané proudem dochází k termionické emisi, to znamená, že z ní jsou emitovány elektrony, které urychleny rozdílem potenciálu bombardují anodu. V důsledku jejich interakce s atomy anody (někdy nazývané antikatoda) se rodí fotony rentgenového záření.
V závislosti na tom, jaký proces vede ke zrození fotonu, existují takové typy rentgenového záření, jako je brzdné záření a charakteristické.
Elektrony se mohou při setkání s anodou zpomalit, to znamená ztratit energii v elektrických polích jejích atomů. Tato energie je vyzařována ve formě rentgenových fotonů. Takové záření se nazývá brzdné záření.
Je jasné, že podmínky brzdění se u jednotlivých elektronů budou lišit. To znamená, že různá množství jejich kinetické energie se přeměňují na rentgenové záření. Výsledkem je, že brzdné záření zahrnuje fotony různých frekvencí a podle toho i vlnových délek. Proto je jeho spektrum spojité (spojité). Někdy se z tohoto důvodu nazývá také „bílé“ rentgenové záření.
Energie brzdného fotonu nemůže překročit kinetickou energii elektronu, který jej generuje, takže maximální frekvence (a nejmenší vlnová délka) brzdného záření odpovídá největší hodnotě kinetické energie elektronů dopadajících na anodu. Ten závisí na potenciálovém rozdílu aplikovaném na elektrody.
Existuje další typ rentgenového záření, které pochází z jiného procesu. Toto záření se nazývá charakteristické a my se mu budeme věnovat podrobněji.
Jak se vyrábí charakteristické rentgenové záření
Po dosažení antikatody může rychlý elektron proniknout dovnitř atomu a vyřadit jakýkoli elektron z jednoho z nižších orbitalů, to znamená, že na něj přenese energii dostatečnou k překonání potenciálové bariéry. Pokud jsou však v atomu vyšší energetické hladiny obsazené elektrony, nezůstane uvolněné místo prázdné.
Je třeba mít na paměti, že elektronická struktura atomu, jako každý energetický systém, se snaží minimalizovat energii. Prázdné místo vytvořené v důsledku knockoutu je vyplněno elektronem z jedné z vyšších úrovní. Jeho energie je vyšší a při obsazení nižší úrovně vyzařuje přebytek ve formě kvanta charakteristického rentgenového záření.
Elektronová struktura atomu je diskrétní soubor možných energetických stavů elektronů. Rentgenové fotony emitované při nahrazování elektronových vakancí proto mohou mít také pouze přesně definované energetické hodnoty, odrážející rozdíl hladin. V důsledku toho má charakteristické rentgenové záření spektrum nikoli spojité, ale čárového typu. Takové spektrum umožňuje charakterizovat podstatu anody – odtud název těchto paprsků. Právě kvůli spektrálním rozdílům je jasné, co se myslí brzdným zářením a charakteristickým rentgenovým zářením.
Někdy přebytečná energie není emitována atomem, ale je vynaložena na vyřazení třetího elektronu. K tomuto procesu – tzv. Augerovu jevu – dochází spíše tehdy, když vazebná energie elektronu nepřesáhne 1 keV. Energie uvolněného Augerova elektronu závisí na struktuře energetických hladin atomu, takže spektra takových elektronů jsou také diskrétní.
Celkový pohled na charakteristické spektrum
V rentgenovém spektrálním obrazci jsou přítomny úzké charakteristické čáry spolu se spojitým spektrem brzdného záření. Pokud spektrum znázorníme jako graf závislosti intenzity na vlnové délce (frekvenci), uvidíme v místech čar ostré vrcholy. Jejich poloha závisí na materiálu anody. Tato maxima jsou přítomna při jakémkoli rozdílu potenciálu - pokud existují rentgenové záření, jsou zde vždy také vrcholy. S rostoucím napětím na elektrodách elektronky roste intenzita jak spojitého, tak charakteristického rentgenového záření, ale umístění vrcholů a poměr jejich intenzit se nemění.
Vrcholy v rentgenových spektrech mají stejný tvar bez ohledu na materiál antikatody ozařované elektrony, ale pro různé materiály se nacházejí na různých frekvencích, sdružujících se do série podle blízkosti hodnot frekvence. Mezi samotnými sériemi je rozdíl ve frekvencích mnohem výraznější. Tvar maxim nijak nezávisí na tom, zda materiál anody představuje čistý chemický prvek nebo jde o komplexní látku. V posledně uvedeném případě jsou charakteristická rentgenová spektra jeho základních prvků jednoduše navrstvena na sebe.
S nárůstem atomového čísla chemického prvku se všechny čáry jeho rentgenového spektra posouvají směrem k rostoucí frekvenci. Spektrum si zachovává svou formu.
Moseleyho zákon
Fenomén spektrálního posunu charakteristických čar experimentálně objevil anglický fyzik Henry Moseley v roce 1913. To mu umožnilo spojit frekvence maxim spektra s pořadovými čísly chemických prvků. Vlnová délka charakteristického rentgenového záření tedy, jak se ukázalo, může být jasně korelována s konkrétním prvkem. Obecně lze Moseleyův zákon zapsat takto: √f = (Z - S n)/n√R, kde f je frekvence, Z je pořadové číslo prvku, S n je stínící konstanta, n je hlavní kvantové číslo a R je Rydbergova konstanta. Tento vztah je lineární a objevuje se na Moseleyově diagramu jako řada přímek pro každou hodnotu n.
Hodnoty n odpovídají jednotlivým sériím charakteristických rentgenových píků. Moseleyho zákon umožňuje určit pořadové číslo chemického prvku ozářeného tvrdými elektrony z naměřených vlnových délek (jsou jednoznačně vztaženy k frekvencím) maxim rentgenového spektra.
Struktura elektronových obalů chemických prvků je totožná. Nasvědčuje tomu monotonie změny posunu v charakteristickém spektru rentgenového záření. Posun frekvence neodráží strukturální, ale energetické rozdíly mezi elektronovými obaly, jedinečné pro každý prvek.
Role Moseleyho zákona v atomové fyzice
Existují malé odchylky od striktního lineárního vztahu vyjádřeného Moseleyho zákonem. Jsou spojeny zaprvé se zvláštnostmi pořadí plnění elektronových obalů u některých prvků a zadruhé s relativistickými účinky pohybu elektronů v těžkých atomech. Při změně počtu neutronů v jádře (tzv. izotopový posun) se navíc může mírně změnit poloha čar. Tento efekt umožnil podrobně studovat atomovou strukturu.
Význam Moseleyho zákona je mimořádně velký. Jeho důsledná aplikace na prvky Mendělejevova periodického systému vytvořila vzorec zvyšování pořadového čísla podle každého malého posunu charakteristických maxim. To přispělo k objasnění otázky fyzikálního významu řadové číslovky prvků. Hodnota Z není jen číslo: je to kladný elektrický náboj jádra, který je součtem jednotkových kladných nábojů částic, které ho tvoří. Správné umístění prvků v tabulce a přítomnost prázdných pozic v ní (pak ještě existovaly) dostalo silné potvrzení. Platnost periodického zákona byla prokázána.
Moseleyho zákon se navíc stal základem, na kterém vznikla celá oblast experimentálního výzkumu - rentgenová spektrometrie.
Struktura elektronových obalů atomu
Krátce si připomeňme, jak je elektron uspořádán Skládá se z obalů, označovaných písmeny K, L, M, N, O, P, Q nebo čísly od 1 do 7. Elektrony uvnitř obalu se vyznačují stejným hlavním kvantové číslo n, které určuje možné energetické hodnoty. Ve vnějších obalech je energie elektronů vyšší a ionizační potenciál pro vnější elektrony je odpovídajícím způsobem nižší.
Shell obsahuje jednu nebo více podúrovní: s, p, d, f, g, h, i. V každém shellu se počet podúrovní zvýší o jednu ve srovnání s předchozí. Počet elektronů v každé podúrovni a v každém obalu nemůže překročit určitou hodnotu. Vyznačují se kromě hlavního kvantového čísla stejnou hodnotou orbitálního elektronového oblaku, která určuje tvar. Podúrovně jsou označeny shellem, ke kterému patří, například 2s, 4d a tak dále.
Podúroveň obsahuje, které jsou kromě hlavního a orbitálního nastaveny ještě jedním kvantovým číslem - magnetickým, které určuje průmět orbitální hybnosti elektronu do směru magnetického pole. Jeden orbital může mít maximálně dva elektrony, lišící se hodnotou čtvrtého kvantového čísla – spinu.
Podívejme se podrobněji na to, jak vzniká charakteristické rentgenové záření. Protože původ tohoto typu elektromagnetické emise je spojen s jevy vyskytujícími se uvnitř atomu, je nejvhodnější jej přesně popsat aproximací elektronických konfigurací.
Mechanismus tvorby charakteristického rentgenového záření
Příčinou tohoto záření je tedy tvorba elektronových prázdných míst ve vnitřních obalech v důsledku pronikání vysokoenergetických elektronů hluboko do atomu. Pravděpodobnost, že tvrdý elektron bude interagovat, se zvyšuje s hustotou elektronových mraků. Ke srážkám proto s největší pravděpodobností dochází uvnitř hustě zaplněných vnitřních skořápek, jako je nejnižší K-skořápka. Zde se atom ionizuje a v 1s obalu se vytvoří vakance.
Toto prázdné místo je vyplněno elektronem z obalu s vyšší energií, jehož přebytek odnáší rentgenový foton. Tento elektron může „spadnout“ z druhého obalu L, ze třetího obalu M a tak dále. Takto se tvoří charakteristická řada, v tomto příkladu řada K. Označení, odkud elektron vyplňující vakance pochází, je uvedeno ve formě řeckého indexu při označení série. "Alfa" znamená, že pochází z L-skořápky, "beta" - z M-skořápky. V současné době existuje tendence nahrazovat řecké písmenné indexy latinskými přijatými pro označení lastur.
Intenzita alfa čáry v řadě je vždy nejvyšší, což znamená, že pravděpodobnost obsazení volného místa ze sousedního pláště je nejvyšší.
Nyní můžeme odpovědět na otázku, jaká je maximální energie charakteristického rentgenového kvanta. Je určeno rozdílem v energetických hodnotách úrovní, mezi kterými dochází k přechodu elektronů, podle vzorce E \u003d E n 2 - E n 1, kde E n 2 a E n 1 jsou energie elektronické stavy, mezi kterými došlo k přechodu. Nejvyšší hodnota tohoto parametru je dána přechody řady K z nejvyšších možných úrovní atomů těžkých prvků. Ale intenzita těchto čar (výšky píku) je nejmenší, protože jsou nejméně pravděpodobné.
Pokud kvůli nedostatečnému napětí na elektrodách nemůže tvrdý elektron dosáhnout hladiny K, vytvoří vakanci na hladině L a vytvoří se méně energetická série L s delšími vlnovými délkami. Následující série se rodí podobným způsobem.
Navíc, když se volné místo zaplní, objeví se v nadložní skořápce nové volné místo v důsledku elektronického přechodu. Tím jsou vytvořeny podmínky pro generování další řady. Elektronická volná místa se pohybují výše od úrovně k úrovni a atom vysílá kaskádu charakteristických spektrálních sérií, přičemž zůstává ionizovaný.
Jemná struktura charakteristických spekter
Atomová rentgenová spektra charakteristického rentgenového záření se vyznačují jemnou strukturou, která je vyjádřena stejně jako u optických spekter v liniovém dělení.
Jemná struktura je způsobena tím, že energetická hladina - elektronový obal - je souborem těsně rozmístěných složek - podslupek. Pro charakterizaci podslupek je zavedeno ještě jedno vnitřní kvantové číslo j, které odráží interakci vnitřních a orbitálních magnetických momentů elektronu.
V souvislosti s vlivem interakce spin-orbita se energetická struktura atomu zkomplikuje a v důsledku toho má charakteristické rentgenové záření spektrum, které se vyznačuje štěpnými čarami s velmi těsně rozmístěnými prvky.
Prvky jemné struktury jsou obvykle označeny doplňkovými digitálními indexy.
Charakteristické rentgenové záření má vlastnost, která se odráží pouze v jemné struktuře spektra. K přechodu elektronu na nejnižší energetickou hladinu nedochází ze spodní podslupky nadložní hladiny. Taková událost má zanedbatelnou pravděpodobnost.
Využití rentgenového záření ve spektrometrii
Toto záření, díky svým vlastnostem popsaným Moseleyovým zákonem, je základem různých rentgenových spektrálních metod pro analýzu látek. Při analýze rentgenového spektra se využívá buď difrakce záření krystaly (vlnodisperzní metoda) nebo detektory citlivé na energii absorbovaných rentgenových fotonů (energeticky disperzní metoda). Většina elektronových mikroskopů je vybavena nějakou formou nástavce pro rentgenovou spektrometrii.
Vlnodisperzní spektrometrie se vyznačuje obzvláště vysokou přesností. Pomocí speciálních filtrů se vybírají nejintenzivnější vrcholy spektra, díky čemuž je možné získat téměř monochromatické záření s přesně známou frekvencí. Materiál anody se vybírá velmi pečlivě, aby se zajistilo získání monochromatického paprsku požadované frekvence. Jeho difrakce na krystalové mřížce studované látky umožňuje studovat strukturu mřížky s velkou přesností. Tato metoda se také používá při studiu DNA a dalších složitých molekul.
Jeden z rysů charakteristického rentgenového záření je zohledněn i v gamaspektrometrii. To je vysoká intenzita charakteristických vrcholů. Gama spektrometry používají olověné stínění proti vnějšímu záření pozadí, které ruší měření. Ale olovo, absorbující gama kvanta, zažívá vnitřní ionizaci, v důsledku čehož aktivně emituje v oblasti rentgenového záření. Dodatečné kadmiové stínění se používá k absorpci intenzivních vrcholů charakteristického rentgenového záření z olova. Ten je zase ionizován a také vyzařuje rentgenové záření. K neutralizaci charakteristických píků kadmia se používá třetí stínící vrstva - měď, jejíž maxima rentgenového záření leží mimo pracovní frekvenční rozsah gamaspektrometru.
Spektrometrie využívá jak brzdné záření, tak charakteristické rentgenové záření. Při analýze látek se tedy studují absorpční spektra kontinuálního rentgenového záření různými látkami.
Moderní medicína využívá k diagnostice a terapii mnoho lékařů. Některé z nich byly použity relativně nedávno, zatímco jiné byly praktikovány více než tucet nebo dokonce stovky let. Také William Conrad Roentgen před sto deseti lety objevil úžasné rentgenové záření, které způsobilo významnou rezonanci ve vědeckém a lékařském světě. A nyní je ve své praxi používají lékaři po celé planetě. Tématem našeho dnešního rozhovoru bude rentgenové záření v medicíně, jeho aplikaci si probereme trochu podrobněji.
Rentgenové záření je jednou z odrůd elektromagnetického záření. Vyznačují se výraznými penetračními vlastnostmi, které závisí na vlnové délce záření, jakož i na hustotě a tloušťce ozařovaných materiálů. Rentgenové záření navíc může způsobit záři řady látek, ovlivnit živé organismy, ionizovat atomy a také katalyzovat některé fotochemické reakce.
Využití rentgenového záření v lékařství
Dosud vlastnosti rentgenových paprsků umožňují jejich široké použití v rentgenové diagnostice a rentgenové terapii.
Rentgenová diagnostika
Rentgenová diagnostika se používá při provádění:
rentgen (přenos);
- radiografie (obrázek);
- fluorografie;
- Rentgen a počítačová tomografie.
Fluoroskopie
K provedení takové studie se pacient musí umístit mezi rentgenovou trubici a speciální fluorescenční obrazovku. Specializovaný radiolog vybere požadovanou tvrdost rentgenového záření a na obrazovce obdrží obraz vnitřních orgánů a žeber.
Radiografie
Pro tuto studii je pacient umístěn na kazetu obsahující speciální film. Rentgenový přístroj je umístěn přímo nad objektem. Díky tomu se na filmu objeví negativní obraz vnitřních orgánů, který obsahuje řadu jemných detailů, detailnějších než při skiaskopickém vyšetření.
Fluorografie
Tato studie se provádí během hromadných lékařských vyšetření populace, včetně detekce tuberkulózy. Zároveň se na speciální film promítá obraz z velkého plátna.
Tomografie
Při provádění tomografie pomáhají počítačové paprsky získat snímky orgánů na několika místech najednou: ve speciálně vybraných příčných řezech tkáně. Tato série rentgenových paprsků se nazývá tomogram.
Počítačový tomogram
Taková studie umožňuje registrovat části lidského těla pomocí rentgenového skeneru. Po zadání dat do počítače získáte jeden obrázek v řezu.
Každá z uvedených diagnostických metod je založena na vlastnostech rentgenového paprsku pro osvětlení filmu a také na skutečnosti, že lidské tkáně a kostní skelet se liší různou propustností pro své účinky.
Rentgenová terapie
Schopnost rentgenového záření ovlivňovat tkáně speciálním způsobem se využívá k léčbě nádorových formací. Ionizační vlastnosti tohoto záření jsou přitom zvláště aktivně patrné při vystavení buňkám, které jsou schopné rychlého dělení. Právě tyto vlastnosti odlišují buňky maligních onkologických formací.
Je však třeba poznamenat, že rentgenová terapie může způsobit mnoho vážných vedlejších účinků. Takový dopad agresivně ovlivňuje stav krvetvorného, endokrinního a imunitního systému, jehož buňky se také velmi rychle dělí. Agresivní vliv na ně může způsobit příznaky nemoci z ozáření.
Vliv rentgenového záření na člověka
Při studiu rentgenových paprsků lékaři zjistili, že mohou vést ke změnám na kůži, které připomínají spálení sluncem, ale jsou doprovázeny hlubším poškozením kůže. Takové vředy se hojí velmi dlouho. Vědci zjistili, že takovým lézím se lze vyhnout snížením času a dávky záření a také použitím speciálních metod stínění a dálkového ovládání.
Agresivní vliv rentgenového záření se může projevit i dlouhodobě: dočasné nebo trvalé změny ve složení krve, náchylnost k leukémii a předčasné stárnutí.
Účinek rentgenového záření na člověka závisí na mnoha faktorech: na tom, který orgán je ozařován a jak dlouho. Ozáření krvetvorných orgánů může vést ke krevním onemocněním a expozice pohlavních orgánů může vést k neplodnosti.
Provádění systematického ozařování je plné vývoje genetických změn v těle.
Skutečná škodlivost rentgenového záření v rentgenové diagnostice
Při vyšetření lékaři používají minimální možné množství rentgenového záření. Všechny dávky záření splňují určité přijatelné normy a nemohou člověka poškodit. Rentgenová diagnostika představuje značné nebezpečí pouze pro lékaře, kteří ji provádějí. A pak moderní způsoby ochrany pomáhají snížit agresivitu paprsků na minimum.
Mezi nejbezpečnější metody radiodiagnostiky patří radiografie končetin, stejně jako zubní rentgen. Na dalším místě tohoto hodnocení je mamografie, následovaná počítačovou tomografií a po ní radiografie.
Aby použití rentgenového záření v medicíně přineslo člověku pouze prospěch, je nutné provádět výzkum s jejich pomocí pouze podle indikací.
V roce 1895 německý fyzik Roentgen při provádění pokusů o průchodu proudu mezi dvěma elektrodami ve vakuu zjistil, že stínítko pokryté luminiscenční látkou (barnatou solí) svítí, ačkoli výbojka je uzavřena černým kartonovým stínítkem - takto bylo objeveno záření, které proniká přes neprůhledné bariéry, nazývané rentgenové rentgenové záření. Bylo zjištěno, že rentgenové záření, pro člověka neviditelné, je absorbováno v neprůhledných předmětech tím silnější, čím větší je atomové číslo (hustota) bariéry, takže rentgenové záření snadno projde měkkými tkáněmi lidského těla, ale zůstane zachováno u kostí kostry. Byly navrženy zdroje výkonného rentgenového záření, které umožňovalo prosvítat skrz kovové části a najít v nich vnitřní vady.
Německý fyzik Laue navrhl, že rentgenové záření je stejné elektromagnetické záření jako paprsky viditelného světla, ale má kratší vlnovou délku a platí pro ně všechny zákony optiky, včetně možné difrakce. V optice viditelného světla lze difrakci na elementární úrovni znázornit jako odraz světla od soustavy drážek - difrakční mřížky, vyskytující se pouze pod určitými úhly, přičemž úhel odrazu paprsků souvisí s úhlem dopadu, vzdálenost mezi drážkami difrakční mřížky a vlnová délka dopadajícího záření. Pro difrakci je nutné, aby vzdálenost mezi tahy byla přibližně rovna vlnové délce dopadajícího světla.
Laue navrhl, že rentgenové záření má vlnovou délku blízkou vzdálenosti mezi jednotlivými atomy v krystalech, tzn. atomy v krystalu vytvářejí difrakční mřížku pro rentgenové záření. Rentgenové záření nasměrované na povrch krystalu se odráželo na fotografické desce, jak předpovídá teorie.
Jakékoli změny polohy atomů ovlivňují difrakční obrazec a studiem difrakce rentgenového záření lze zjistit uspořádání atomů v krystalu a změnu tohoto uspořádání za jakýchkoli fyzikálních, chemických a mechanických vlivů na krystal. .
Nyní se rentgenová analýza používá v mnoha oblastech vědy a techniky, s její pomocí se naučili uspořádání atomů v existujících materiálech a vytvořili nové materiály s danou strukturou a vlastnostmi. Nedávné pokroky v této oblasti (nanomateriály, amorfní kovy, kompozitní materiály) vytvářejí pole působnosti pro další vědecké generace.
Výskyt a vlastnosti rentgenového záření
Zdrojem rentgenového záření je rentgenka, která má dvě elektrody – katodu a anodu. Při zahřívání katody dochází k emisi elektronů, elektrony emitované z katody jsou urychlovány elektrickým polem a dopadají na povrch anody. Rentgenku odlišuje od klasické radiolampy (diody) především vyšší urychlovací napětí (více než 1 kV).
Když elektron vyletí z katody, elektrické pole jej přiměje k anodě, přičemž jeho rychlost neustále roste, elektron nese magnetické pole, jehož intenzita roste s rychlostí elektronu. Při dosažení povrchu anody je elektron prudce zpomalen a vzniká elektromagnetický puls s vlnovými délkami v určitém rozsahu (bremsstrahlung). Rozložení intenzity záření na vlnových délkách závisí na materiálu anody rentgenky a přiloženém napětí, zatímco na straně krátkých vln začíná tato křivka s určitou prahovou minimální vlnovou délkou, která závisí na přiloženém napětí. Soubor paprsků všech možných vlnových délek tvoří spojité spektrum a vlnová délka odpovídající maximální intenzitě je 1,5násobek minimální vlnové délky.
S rostoucím napětím se spektrum rentgenového záření dramaticky mění v důsledku interakce atomů s vysokoenergetickými elektrony a kvanty primárního rentgenového záření. Atom obsahuje vnitřní elektronové obaly (energetické hladiny), jejichž počet závisí na atomovém čísle (označuje se písmeny K, L, M atd.) Elektrony a primární rentgenové záření vyřazují elektrony z jedné energetické hladiny na druhou. . Vzniká metastabilní stav a pro přechod do stabilního stavu je nutný skok elektronů v opačném směru. Tento skok je doprovázen uvolněním kvanta energie a objevením se rentgenového záření. Na rozdíl od rentgenového záření se spojitým spektrem má toto záření velmi úzký rozsah vlnových délek a vysokou intenzitu (charakteristické záření) ( cm. rýže.). Počet atomů, které určují intenzitu charakteristického záření, je velmi velký, např. pro rentgenku s měděnou anodou při napětí 1 kV proud 15 mA dává charakteristické záření 10 14–10 15 atomů. na 1 s Tato hodnota se vypočítá jako poměr celkového výkonu rentgenového záření k energii kvanta rentgenového záření z K-skořápky (K-řada rentgenového charakteristického záření). Celkový výkon rentgenového záření je v tomto případě pouze 0,1 % spotřebovaného výkonu, zbytek se ztrácí především přechodem do tepla.
Charakteristické rentgenové záření je díky své vysoké intenzitě a úzkému rozsahu vlnových délek hlavním typem záření používaného ve vědeckém výzkumu a řízení procesů. Současně s paprsky řady K se generují paprsky řady L a M, které mají mnohem delší vlnové délky, ale jejich použití je omezené. Řada K má dvě složky s blízkými vlnovými délkami a a b, přičemž intenzita složky b je 5krát menší než intenzita a. A-složka se zase vyznačuje dvěma velmi blízkými vlnovými délkami, přičemž intenzita jedné z nich je 2krát větší než druhá. Pro získání záření o jediné vlnové délce (monochromatické záření) byly vyvinuty speciální metody, které využívají závislosti absorpce a difrakce rentgenového záření na vlnové délce. Nárůst atomového čísla prvku je spojen se změnou charakteristik elektronových obalů a čím větší je atomové číslo materiálu anody rentgenky, tím kratší je vlnová délka řady K. Nejpoužívanější elektronky s anodami z prvků s atomovými čísly od 24 do 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) a vlnovými délkami od 2,29 do 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).
Kromě rentgenky mohou být zdrojem rentgenového záření radioaktivní izotopy, některé mohou přímo vyzařovat rentgenové záření, jiné vyzařují elektrony a a-částice, které generují rentgenové záření při bombardování kovových cílů. Intenzita rentgenového záření radioaktivních zdrojů je obvykle mnohem menší než u rentgenky (s výjimkou radioaktivního kobaltu, který se používá při defektoskopii a poskytuje záření o velmi malé vlnové délce - g-záření), jsou malé rozměry a nevyžadují elektřinu. Synchrotronové rentgenové záření vzniká v urychlovačích elektronů, vlnová délka tohoto záření je mnohem vyšší než u rentgenových trubic (měkké rentgenové záření), jeho intenzita je o několik řádů vyšší než intenzita rentgenových trubic. Existují také přirozené zdroje rentgenového záření. Radioaktivní nečistoty byly nalezeny v mnoha minerálech a bylo zaznamenáno rentgenové záření vesmírných objektů, včetně hvězd.
Interakce rentgenového záření s krystaly
Při rentgenovém studiu materiálů s krystalickou strukturou jsou analyzovány interferenční obrazce vyplývající z rozptylu rentgenového záření elektrony patřícími k atomům krystalové mřížky. Atomy jsou považovány za nehybné, neberou se v úvahu jejich tepelné vibrace a všechny elektrony stejného atomu jsou považovány za koncentrované v jednom bodě - uzlu krystalové mřížky.
Pro odvození základních rovnic rentgenové difrakce v krystalu je uvažována interference paprsků rozptýlených atomy umístěnými podél přímky v krystalové mřížce. Na tyto atomy dopadá rovinná vlna monochromatického rentgenového záření pod úhlem, jehož kosinus je roven 0 . Zákony interference paprsků rozptýlených atomy jsou podobné těm, které existují pro difrakční mřížku, která rozptyluje světelné záření ve viditelném rozsahu vlnových délek. Aby se amplitudy všech kmitů sčítaly ve velké vzdálenosti od atomové řady, je nutné a dostatečné, aby rozdíl v dráze paprsků vycházejících z každé dvojice sousedních atomů obsahoval celé číslo vlnových délek. Když je vzdálenost mezi atomy ale tento stav vypadá takto:
ale(A – a0) = h l ,
kde a je kosinus úhlu mezi atomovou řadou a vychýleným paprskem, h- celé číslo. Ve všech směrech, které nesplňují tuto rovnici, se paprsky nešíří. Rozptýlené paprsky tedy tvoří soustavu koaxiálních kuželů, jejichž společnou osou je atomová řada. Stopy kuželů na rovině rovnoběžné s řadou atomů jsou hyperboly a na rovině kolmé na řadu kruhy.
Když paprsky dopadají pod konstantním úhlem, polychromatické (bílé) záření se rozkládá na spektrum paprsků odkloněných pod pevnými úhly. Atomová řada je tedy spektrograf pro rentgenové záření.
Zobecnění na dvourozměrnou (plochou) atomovou mřížku a poté na trojrozměrnou objemovou (prostorovou) krystalovou mřížku dává další dvě podobné rovnice, které zahrnují úhly dopadu a odrazu rentgenového záření a vzdálenosti mezi atomy ve třech Pokyny. Tyto rovnice se nazývají Laueovy rovnice a jsou základem analýzy rentgenové difrakce.
Amplitudy paprsků odražených od rovnoběžných atomových rovin se sčítají a od počet atomů je velmi velký, odražené záření lze experimentálně fixovat. Podmínka odrazu je popsána Wulff-Braggovou rovnicí2d sinq = nl, kde d je vzdálenost mezi sousedními atomovými rovinami, q je úhel pohledu mezi směrem dopadajícího paprsku a těmito rovinami v krystalu, l je rentgenové záření. vlnová délka a n je celé číslo nazývané řád odrazu. Úhel q je úhel dopadu vzhledem k atomovým rovinám, které se nemusí nutně shodovat ve směru s povrchem zkoumaného vzorku.
Bylo vyvinuto několik metod rentgenové difrakční analýzy využívající jak záření se spojitým spektrem, tak monochromatické záření. V tomto případě může být studovaný objekt stacionární nebo rotující, může sestávat z jednoho krystalu (monokrystal) nebo z mnoha (polykrystal), difraktované záření lze zaznamenat pomocí plochého nebo válcového rentgenového filmu nebo pohybujícího se rentgenového detektoru po obvodu se však ve všech případech při experimentu a interpretaci výsledků používá Wulf-Braggova rovnice.
Rentgenová analýza ve vědě a technice
S objevem rentgenové difrakce mají badatelé k dispozici metodu, která umožňuje studovat uspořádání jednotlivých atomů a změny tohoto uspořádání pod vnějšími vlivy bez mikroskopu.
Hlavní aplikací rentgenového záření ve fundamentální vědě je strukturální analýza, tj. stanovení prostorového uspořádání jednotlivých atomů v krystalu. K tomu se pěstují monokrystaly a provádí se rentgenová analýza, která studuje jak umístění, tak intenzitu odrazů. Nyní byly určeny struktury nejen kovů, ale i složitých organických látek, v nichž elementární buňky obsahují tisíce atomů.
V mineralogii byly rentgenovou analýzou stanoveny struktury tisíců minerálů a byly vytvořeny expresní metody pro analýzu nerostných surovin.
Kovy mají poměrně jednoduchou krystalovou strukturu a rentgenová metoda umožňuje studovat její změny při různých technologických úpravách a vytvářet fyzikální základy nových technologií.
Fázové složení slitin je určeno uspořádáním čar na RTG obrazcích, počet, velikost a tvar krystalů je určen jejich šířkou, orientace krystalů (textura) je určena rozložením intenzity v difrakčním kuželu.
Tyto techniky se používají ke studiu procesů při plastické deformaci, včetně drcení krystalů, výskytu vnitřních pnutí a nedokonalostí v krystalové struktuře (dislokace). Při zahřívání deformovaných materiálů se studuje uvolnění napětí a růst krystalů (rekrystalizace).
Při rentgenové analýze slitin se určuje složení a koncentrace pevných roztoků. Když se objeví pevný roztok, změní se meziatomové vzdálenosti a následně i vzdálenosti mezi atomovými rovinami. Tyto změny jsou malé, proto byly vyvinuty speciální přesné metody pro měření period krystalové mřížky s přesností o dva řády vyšší, než je přesnost měření konvenčními rentgenovými metodami. Kombinace přesných měření period krystalové mřížky a fázové analýzy umožňuje vykreslit hranice fázových oblastí do stavového diagramu. Rentgenovou metodou lze detekovat i mezistavy mezi pevnými roztoky a chemickými sloučeninami - uspořádané pevné roztoky, ve kterých nejsou atomy nečistot uspořádány náhodně, jako v pevných roztocích, a zároveň ne v trojrozměrném uspořádání, jako v chemických sloučeniny. Na rentgenových obrazcích uspořádaných pevných roztoků jsou další čáry, interpretace rentgenových obrazců ukazuje, že atomy nečistot zaujímají určitá místa v krystalové mřížce, například ve vrcholech krychle.
Během kalení slitiny, která neprochází fázovými přeměnami, může dojít k přesycenému tuhému roztoku a při dalším zahřívání nebo dokonce udržování při pokojové teplotě se pevný roztok rozkládá za uvolňování částic chemické sloučeniny. Toto je účinek stárnutí a projevuje se na rentgenových snímcích jako změna polohy a šířky čar. Studium stárnutí je důležité zejména pro neželezné slitiny, například stárnutí mění měkkou tvrzenou hliníkovou slitinu na pevný konstrukční materiál dural.
Největší technologický význam mají rentgenové studie tepelného zpracování oceli. Při kalení (rychlém ochlazování) oceli dochází k bezdifuznímu fázovému přechodu austenit-martenzit, který vede ke změně struktury z kubické na tetragonální, tzn. základní buňka má tvar pravoúhlého hranolu. Na rentgenových snímcích se to jeví jako rozšíření čar a oddělení některých čar na dvě. Příčinou tohoto efektu je nejen změna krystalové struktury, ale také vznik velkých vnitřních pnutí v důsledku termodynamické nerovnováhy martenzitické struktury a rychlého ochlazování. Při popouštění (ohřívání kalené oceli) se čáry na rentgenových obrazcích zužují, je to způsobeno návratem do rovnovážné struktury.
V posledních letech nabyly na významu rentgenové studie zpracování materiálů s koncentrovanými energetickými toky (laserové paprsky, rázové vlny, neutrony a elektronové pulzy), které vyžadovaly nové techniky a přinesly nové rentgenové efekty. Například působením laserových paprsků na kovy dochází k ohřevu a ochlazení tak rychle, že v kovu po ochlazení krystaly stihnou narůst pouze do velikosti několika jednotkových buněk (nanokrystalů) nebo se nestihnou vytvořit vůbec. Takový kov po ochlazení vypadá jako obyčejný, ale na rentgenovém obrazci nedává jasné linie a odražené rentgenové paprsky jsou rozloženy v celém rozsahu úhlů pohledu.
Po ozáření neutrony se na RTG obrazcích objevují další skvrny (difuzní maxima). Radioaktivní rozpad také způsobuje specifické rentgenové efekty spojené se změnou struktury a také skutečnost, že studovaný vzorek se sám stává zdrojem rentgenového záření.
