Entdeckungs- und Anwendungsgeschichte der Röntgenstrahlen. Vorlesung Röntgenstrahlung Röntgenwellen

Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 80 bis 10 -5 nm. Die langwellige Röntgenstrahlung wird durch kurzwelliges Ultraviolett, die kurzwellige durch langwellige γ-Strahlung abgedeckt. Je nach Anregungsmethode wird Röntgenstrahlung in Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung unterteilt.

31.1. GERÄT DER RÖNTGENRÖHRE. Bremsstrahlung X-RAY

Die häufigste Röntgenquelle ist die Röntgenröhre, ein Zwei-Elektroden-Vakuumgerät (Abb. 31.1). Beheizte Kathode 1 gibt Elektronen ab 4. Anode 2, oft als Antikathode bezeichnet, hat eine geneigte Oberfläche, um die resultierenden Röntgenstrahlen zu lenken 3 in einem Winkel zur Rohrachse. Die Anode besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, um die durch den Aufprall von Elektronen erzeugte Wärme abzuführen. Die Anodenoberfläche besteht aus feuerfesten Materialien mit einer großen Ordnungszahl im Periodensystem, wie z. B. Wolfram. In einigen Fällen wird die Anode speziell mit Wasser oder Öl gekühlt.

Für Diagnostikröhren ist die Genauigkeit der Röntgenquelle wichtig, die durch Fokussierung von Elektronen auf eine Stelle der Antikathode erreicht werden kann. Konstruktiv müssen daher zwei gegensätzliche Aufgaben berücksichtigt werden: Einerseits müssen Elektronen auf eine Stelle der Anode fallen, andererseits ist es wünschenswert, Elektronen auf verschiedene Stellen zu verteilen, um eine Überhitzung zu vermeiden die Anode. Eine der interessanten technischen Lösungen ist eine Röntgenröhre mit Drehanode (Abb. 31.2).

Als Folge der Abbremsung eines Elektrons (oder eines anderen geladenen Teilchens) durch das elektrostatische Feld des Atomkerns und Atomelektronen der Substanz der Antikathode, a Bremsstrahlung.

Sein Mechanismus kann wie folgt erklärt werden. Eine bewegte elektrische Ladung ist einem Magnetfeld zugeordnet, dessen Induktion von der Geschwindigkeit des Elektrons abhängt. Beim Bremsen wird der Magnet

Induktion und nach Maxwells Theorie entsteht eine elektromagnetische Welle.

Wenn Elektronen abgebremst werden, wird nur ein Teil der Energie zur Erzeugung eines Röntgenphotons verwendet, der andere Teil wird zum Erhitzen der Anode aufgewendet. Da das Verhältnis zwischen diesen Teilen zufällig ist, wird ein kontinuierliches Röntgenstrahlungsspektrum gebildet, wenn eine große Anzahl von Elektronen abgebremst wird. Bremsstrahlung wird in diesem Zusammenhang auch als kontinuierlich bezeichnet. Auf Abb. 31.3 zeigt die Abhängigkeiten des Röntgenflusses von der Wellenlänge λ (Spektren) bei verschiedenen Spannungen in der Röntgenröhre: U 1< U 2 < U 3 .

In jedem der Spektren die Bremsstrahlung mit der kürzesten Wellenlänge λ ηίη entsteht, wenn die von einem Elektron in einem Beschleunigungsfeld aufgenommene Energie vollständig in die Energie eines Photons umgewandelt wird:

Beachten Sie, dass auf der Grundlage von (31.2) eine der genauesten Methoden zur experimentellen Bestimmung der Planckschen Konstante entwickelt wurde.

Kurzwellige Röntgenstrahlen haben in der Regel eine größere Durchdringungskraft als langwellige und werden als schwer, und Langwelle weich.

Durch Erhöhen der Spannung an der Röntgenröhre wird die spektrale Zusammensetzung der Strahlung verändert, wie aus Abb. 31.3 und Formeln (31.3) und erhöhen die Steifigkeit.

Wenn die Temperatur des Kathodenfadens erhöht wird, nehmen die Elektronenemission und der Strom in der Röhre zu. Dadurch wird die Anzahl der pro Sekunde emittierten Röntgenphotonen erhöht. Seine spektrale Zusammensetzung wird sich nicht ändern. Auf Abb. 31.4 zeigt die Röntgen-Bremsstrahlungsspektren bei gleicher Spannung, aber unterschiedlichen Kathodenheizströmen: / n1< / н2 .

Der Röntgenfluss wird nach folgender Formel berechnet:

wo U Und ICH- Spannung und Strom in der Röntgenröhre; Z- Seriennummer eines Atoms der Anodensubstanz; k- Verhältnismäßigkeitskoeffizient. Von verschiedenen Antikathoden gleichzeitig erhaltene Spektren U und I H sind in Fig. 1 gezeigt. 31.5.

31.2. CHARAKTERISTISCHE RÖNTGENSTRAHLUNG. ATOMISCHE RÖNTGENSPEKTRA

Durch Erhöhen der Spannung an der Röntgenröhre kann man das Erscheinen eines Linienspektrums vor dem Hintergrund eines kontinuierlichen Spektrums feststellen, was entspricht

charakteristische Röntgenbilder(Abb. 31.6). Es entsteht dadurch, dass beschleunigte Elektronen tief in das Atom eindringen und Elektronen aus den inneren Schichten herausschlagen. Elektronen aus oberen Ebenen bewegen sich an freie Stellen (Abb. 31.7), wodurch Photonen charakteristischer Strahlung emittiert werden. Wie aus der Abbildung ersichtlich, besteht die charakteristische Röntgenstrahlung aus Reihen K, L, M etc., deren Name zur Bezeichnung der elektronischen Schichten diente. Da durch die Emission der K-Serie Plätze in den höheren Schichten frei werden, werden gleichzeitig auch die Linien anderer Serien emittiert.

Im Gegensatz zu optischen Spektren sind die charakteristischen Röntgenspektren verschiedener Atome vom gleichen Typ. Auf Abb. 31.8 zeigt die Spektren verschiedener Elemente. Die Gleichmäßigkeit dieser Spektren beruht darauf, dass die inneren Schichten verschiedener Atome gleich sind und sich nur energetisch unterscheiden, da die Kraftwirkung aus dem Kern mit zunehmender Ordnungszahl des Elements zunimmt. Dieser Umstand führt dazu, dass sich die charakteristischen Spektren mit zunehmender Kernladung zu höheren Frequenzen hin verschieben. Dieses Muster ist aus Abb. 31.8 und bekannt als Moseleys Gesetz:

wo v- Spektrallinienfrequenz; Z- Ordnungszahl des emittierenden Elements; ABER Und IN- dauerhaft.

Es gibt noch einen weiteren Unterschied zwischen optischen und Röntgenspektren.

Das charakteristische Röntgenspektrum eines Atoms hängt nicht von der chemischen Verbindung ab, in der dieses Atom enthalten ist. So ist beispielsweise das Röntgenspektrum des Sauerstoffatoms für O, O 2 und H 2 O gleich, während die optischen Spektren dieser Verbindungen deutlich unterschiedlich sind. Dieses Merkmal des Röntgenspektrums des Atoms war die Grundlage für den Namen charakteristisch.

Charakteristische Strahlung tritt immer dann auf, wenn in den inneren Schichten eines Atoms freier Raum vorhanden ist, unabhängig von der Ursache, die sie verursacht hat. So begleitet zum Beispiel charakteristische Strahlung eine der Arten des radioaktiven Zerfalls (siehe 32.1), die darin besteht, dass der Atomkern ein Elektron aus der inneren Schicht einfängt.

31.3. WECHSELWIRKUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG MIT SUBSTANZ

Die Registrierung und Nutzung von Röntgenstrahlung sowie ihre Wirkung auf biologische Objekte werden durch die primären Prozesse der Wechselwirkung eines Röntgenphotons mit Elektronen von Atomen und Molekülen einer Substanz bestimmt.

Je nach Energieverhältnis hv Photonen- und Ionisationsenergie 1 A und es gibt drei Hauptprozesse.

Kohärente (klassische) Streuung

Die Streuung langwelliger Röntgenstrahlen erfolgt hauptsächlich ohne Änderung der Wellenlänge und wird als kohärent. Es tritt auf, wenn die Photonenenergie kleiner als die Ionisationsenergie ist: hv< A und.

Da sich dabei die Energie des Röntgenphotons und des Atoms nicht ändert, bewirkt die kohärente Streuung an sich noch keinen biologischen Effekt. Bei der Schaffung eines Schutzes gegen Röntgenstrahlung sollte jedoch die Möglichkeit berücksichtigt werden, die Richtung des Primärstrahls zu ändern. Diese Art der Wechselwirkung ist wichtig für die Röntgenbeugungsanalyse (siehe 24.7).

Inkohärente Streuung (Compton-Effekt)

1922 A.Kh. Compton beobachtete die Streuung harter Röntgenstrahlen und entdeckte eine Abnahme der Durchdringungskraft des gestreuten Strahls im Vergleich zum einfallenden Strahl. Dies bedeutete, dass die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlen größer war als die der einfallenden Röntgenstrahlen. Die Streuung von Röntgenstrahlen mit einer Änderung der Wellenlänge wird genannt inkohärent nym, und das Phänomen selbst - der Compton-Effekt. Sie tritt auf, wenn die Energie des Röntgenphotons größer ist als die Ionisationsenergie: hv > A und.

Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass bei der Wechselwirkung mit einem Atom die Energie hv Photon wird für die Erzeugung eines neuen gestreuten Röntgenphotons mit Energie aufgewendet hv", ein Elektron von einem Atom abzulösen (Ionisationsenergie A u) und dem Elektron kinetische Energie zu verleihen E bis:

hv \u003d hv " + A und + E k.(31.6)

1 Unter Ionisationsenergie wird hier die Energie verstanden, die benötigt wird, um innere Elektronen aus einem Atom oder Molekül zu entfernen.

Da in vielen Fällen hv>> A und und der Compton-Effekt tritt an freien Elektronen auf, dann können wir ungefähr schreiben:

hv = hv"+ E K .(31.7)

Bezeichnend ist, dass bei diesem Phänomen (Abb. 31.9) neben der sekundären Röntgenstrahlung (Energy hv" Photon) Rückstoßelektronen erscheinen (kinetische Energie E zu Elektron). Atome oder Moleküle werden dann zu Ionen.

photoelektrischer Effekt

Beim Photoeffekt wird Röntgenstrahlung von einem Atom absorbiert, wodurch ein Elektron herausfliegt und das Atom ionisiert (Photoionisation).

Die drei oben diskutierten Hauptinteraktionsprozesse sind primär, sie führen zu nachfolgenden sekundären, tertiären usw. Phänomene. Beispielsweise können ionisierte Atome ein charakteristisches Spektrum aussenden, angeregte Atome können zu Quellen sichtbaren Lichts werden (Röntgenlumineszenz) usw.

Auf Abb. 31.10 ist ein Diagramm der möglichen Prozesse, die beim Eindringen von Röntgenstrahlung in einen Stoff ablaufen. Mehrere zehn ähnliche Prozesse wie der gezeigte können ablaufen, bevor die Energie des Röntgenphotons in die Energie der molekularen thermischen Bewegung umgewandelt wird. Dadurch kommt es zu Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung des Stoffes.

Die durch das Diagramm in Abb. 1 dargestellten Prozesse. 31.10, liegen den unter Einwirkung von Röntgenstrahlen auf Materie beobachteten Phänomenen zugrunde. Lassen Sie uns einige davon auflisten.

Röntgenlumineszenz- das Leuchten einer Reihe von Substanzen unter Röntgenbestrahlung. Ein solches Leuchten von Platin-Cyan-Barium ermöglichte es Röntgen, die Strahlen zu entdecken. Dieses Phänomen wird verwendet, um spezielle Leuchtschirme zum Zweck der visuellen Beobachtung von Röntgenstrahlen zu schaffen, manchmal um die Wirkung von Röntgenstrahlen auf einer fotografischen Platte zu verstärken.

Die chemische Wirkung von Röntgenstrahlung ist bekannt, beispielsweise die Bildung von Wasserstoffperoxid in Wasser. Ein praktisch wichtiges Beispiel ist der Effekt auf einer fotografischen Platte, der es ermöglicht, solche Strahlen nachzuweisen.

Die ionisierende Wirkung äußert sich in einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen. Diese Eigenschaft wird verwendet

in der Dosimetrie, um die Wirkung dieser Art von Strahlung zu quantifizieren.

Durch viele Prozesse wird der primäre Röntgenstrahl gesetzeskonform geschwächt (29.3). Schreiben wir es in der Form:

Ich = I0 e-/", (31.8)

wo μ - linearer Dämpfungskoeffizient. Es kann als aus drei Termen bestehend dargestellt werden, die der kohärenten Streuung μ κ , der inkohärenten μ ΗΚ und dem Photoeffekt μ entsprechen F:

μ = μk + μhk + μf. (31.9)

Die Intensität der Röntgenstrahlung wird proportional zur Anzahl der Atome der durchströmten Substanz gedämpft. Wenn wir Materie entlang der Achse komprimieren x, zum Beispiel im B Mal durch Erhöhen B mal seiner Dichte, dann

31.4. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER ANWENDUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG IN DER MEDIZIN

Eine der wichtigsten medizinischen Anwendungen von Röntgenstrahlen ist die Durchleuchtung innerer Organe zu diagnostischen Zwecken. (Röntgendiagnostik).

Zur Diagnostik werden Photonen mit einer Energie von etwa 60-120 keV verwendet. Bei dieser Energie wird der Massenextinktionskoeffizient hauptsächlich durch den photoelektrischen Effekt bestimmt. Sein Wert ist umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Photonenenergie (proportional zu λ 3), die eine große Durchdringungskraft harter Strahlung zeigt, und proportional zur dritten Potenz der Ordnungszahl der absorbierenden Substanz:

Ein signifikanter Unterschied in der Absorption von Röntgenstrahlung durch verschiedene Gewebe ermöglicht es Ihnen, Bilder der inneren Organe des menschlichen Körpers in einer Schattenprojektion zu sehen.

Die Röntgendiagnostik wird in zwei Varianten eingesetzt: Durchleuchtung das Bild wird auf einem Röntgenleuchtschirm betrachtet, Radiographie - Das Bild wird auf dem Film fixiert.

Wenn das untersuchte Organ und das umgebende Gewebe die Röntgenstrahlen ungefähr gleich stark abschwächen, werden spezielle Kontrastmittel verwendet. Wenn man beispielsweise Magen und Darm mit einer breiigen Masse Bariumsulfat füllt, kann man ihr Schattenbild sehen.

Die Helligkeit des Bildes auf dem Bildschirm und die Belichtungszeit auf dem Film hängen von der Intensität der Röntgenstrahlen ab. Wenn es zur Diagnose verwendet wird, kann die Intensität nicht hoch sein, um keine unerwünschten biologischen Folgen zu verursachen. Daher gibt es eine Reihe von technischen Geräten, die das Bild bei niedrigen Röntgenintensitäten verbessern. Ein Beispiel für ein solches Gerät sind Verstärkerröhren (siehe 27.8). Bei einer Massenuntersuchung der Bevölkerung wird häufig eine Variante der Radiographie verwendet - die Fluorographie, bei der ein Bild von einem großen Röntgenleuchtschirm auf einem empfindlichen kleinformatigen Film aufgezeichnet wird. Bei der Aufnahme wird ein Objektiv mit großer Blende verwendet, die fertigen Bilder werden auf einer speziellen Lupe untersucht.

Eine interessante und vielversprechende Option für die Radiographie ist eine Methode namens Röntgentomographie, und seine "Maschinenversion" - CT-Scan.

Betrachten wir diese Frage.

Ein einfaches Röntgenbild deckt einen großen Bereich des Körpers ab, wobei sich verschiedene Organe und Gewebe gegenseitig beschatten. Dies können Sie vermeiden, indem Sie die Röntgenröhre periodisch gegenphasig zusammenfahren (Abb. 31.11). RT und Filme Fp relativ zum Objekt Über Forschung. Der Körper enthält eine Reihe von Einschlüssen, die für Röntgenstrahlen undurchlässig sind und in der Abbildung durch Kreise dargestellt sind. Wie Sie sehen, können Röntgenstrahlen an jeder Position der Röntgenröhre (1, 2 usw.) durchgehen

Schneiden des gleichen Punkts des Objekts, der das Zentrum ist, relativ zu dem die periodische Bewegung ausgeführt wird RT Und Fp. Dieser Punkt, genauer gesagt ein kleiner undurchsichtiger Einschluss, wird durch einen dunklen Kreis dargestellt. Sein Schattenbild bewegt sich mit FP, nacheinander die Positionen 1 besetzen, 2 usw. Die restlichen Einschlüsse im Körper (Knochen, Siegel etc.) legen sich an Fp etwas allgemeiner Hintergrund, da Röntgenstrahlen nicht dauerhaft von ihnen verdeckt werden. Durch die Veränderung der Position des Schwungzentrums ist es möglich, ein schichtweises Röntgenbild des Körpers zu erhalten. Daher der Name - Tomographie(geschichtete Aufnahme).

Es ist möglich, mit einem dünnen Röntgenstrahl zu screenen (statt Fp), bestehend aus Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung (siehe 32.5) und einem Computer, um das Röntgenschattenbild in der Tomographie zu verarbeiten. Diese moderne Form der Tomographie (Computer- oder Computerröntgentomographie) ermöglicht Schichtbilder des Körpers auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre oder auf Papier mit Details von weniger als 2 mm bei einem Unterschied in der Röntgenabsorption von bis zu 0,1 %. So kann man zum Beispiel zwischen grauer und weißer Substanz des Gehirns unterscheiden und sehr kleine Tumorbildungen sehen.

Röntgenstrahlung entsteht, wenn Elektronen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, mit Materie wechselwirken. Wenn Elektronen mit Atomen irgendeiner Substanz kollidieren, verlieren sie schnell ihre kinetische Energie. Dabei wird der größte Teil in Wärme und ein kleiner Bruchteil, meist weniger als 1 %, in Röntgenenergie umgewandelt. Diese Energie wird in Form von Quanten freigesetzt – Teilchen, die Photonen genannt werden, die Energie haben, aber keine Ruhemasse haben. Röntgenphotonen unterscheiden sich in ihrer Energie, die umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge ist. Mit dem herkömmlichen Verfahren zur Gewinnung von Röntgenstrahlen wird ein breiter Bereich von Wellenlängen erhalten, der als Röntgenspektrum bezeichnet wird. Das Spektrum enthält ausgeprägte Komponenten, wie in Abb. ein.

Reis. ein. EIN KONVENTIONELLES RÖNTGENSPEKTRUM besteht aus einem kontinuierlichen Spektrum (Kontinuum) und charakteristischen Linien (scharfe Spitzen). Die Kia- und Kib-Linien entstehen durch Wechselwirkungen beschleunigter Elektronen mit den Elektronen der inneren K-Schale.

Das breite "Kontinuum" wird als kontinuierliches Spektrum oder weiße Strahlung bezeichnet. Die ihm überlagerten scharfen Spitzen werden als charakteristische Röntgenemissionslinien bezeichnet. Obwohl das gesamte Spektrum das Ergebnis von Kollisionen von Elektronen mit Materie ist, sind die Mechanismen für das Auftreten seines breiten Teils und seiner Linien unterschiedlich. Eine Substanz besteht aus einer großen Anzahl von Atomen, von denen jedes einen Kern hat, der von Elektronenhüllen umgeben ist, und jedes Elektron in der Hülle eines Atoms eines bestimmten Elements nimmt ein bestimmtes diskretes Energieniveau ein. Normalerweise werden diese Schalen oder Energieniveaus mit den Symbolen K, L, M usw. bezeichnet, beginnend mit der Schale, die dem Kern am nächsten liegt. Wenn ein einfallendes Elektron ausreichend hoher Energie mit einem der an das Atom gebundenen Elektronen kollidiert, schlägt es dieses Elektron aus seiner Hülle. Der leere Raum wird von einem anderen Elektron aus der Hülle besetzt, was einer höheren Energie entspricht. Letztere gibt überschüssige Energie ab, indem sie ein Röntgenphoton aussendet. Da die Hüllenelektronen diskrete Energiewerte haben, haben auch die resultierenden Röntgenphotonen ein diskretes Spektrum. Dies entspricht scharfen Peaks für bestimmte Wellenlängen, deren spezifische Werte vom Zielelement abhängen. Die charakteristischen Linien bilden K-, L- und M-Reihen, je nachdem aus welcher Schale (K, L oder M) das Elektron entfernt wurde. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge von Röntgenstrahlen und der Ordnungszahl wird als Moseleysches Gesetz bezeichnet (Abb. 2).

Reis. 2. Die Wellenlänge der von chemischen Elementen emittierten CHARAKTERISTISCHEN RÖNTGENSTRAHLUNG hängt von der Ordnungszahl des Elements ab. Die Kurve entspricht dem Moseleyschen Gesetz: Je größer die Ordnungszahl des Elements, desto kürzer die Wellenlänge der Kennlinie.

Wenn ein Elektron mit einem relativ schweren Kern kollidiert, wird es langsamer und seine kinetische Energie wird in Form eines Röntgenphotons mit ungefähr derselben Energie freigesetzt. Wenn er am Kern vorbeifliegt, verliert er nur einen Teil seiner Energie, und der Rest wird auf andere Atome übertragen, die ihm in den Weg fallen. Jeder Energieverlust führt zur Emission eines Photons mit einer gewissen Energie. Es erscheint ein kontinuierliches Röntgenspektrum, dessen obere Grenze der Energie des schnellsten Elektrons entspricht. Dies ist der Mechanismus für die Bildung eines kontinuierlichen Spektrums, und die maximale Energie (oder minimale Wellenlänge), die die Grenze des kontinuierlichen Spektrums festlegt, ist proportional zur Beschleunigungsspannung, die die Geschwindigkeit der einfallenden Elektronen bestimmt. Die Spektrallinien charakterisieren das Material des beschossenen Targets, während das kontinuierliche Spektrum durch die Energie des Elektronenstrahls bestimmt wird und praktisch nicht vom Targetmaterial abhängt.

Röntgenstrahlen können nicht nur durch Elektronenbeschuss erhalten werden, sondern auch durch Bestrahlen des Targets mit Röntgenstrahlen aus einer anderen Quelle. In diesem Fall geht jedoch die meiste Energie des einfallenden Strahls in das charakteristische Röntgenstrahlenspektrum und ein sehr kleiner Bruchteil davon fällt in das kontinuierliche Spektrum. Offensichtlich muss der einfallende Röntgenstrahl Photonen enthalten, deren Energie ausreicht, um die charakteristischen Linien des beschossenen Elements anzuregen. Der hohe Energieanteil pro charakteristischem Spektrum macht diese Methode der Röntgenanregung für die wissenschaftliche Forschung geeignet.

Röntgenröhren. Um Röntgenstrahlung aufgrund der Wechselwirkung von Elektronen mit Materie zu erhalten, ist es notwendig, eine Elektronenquelle, Mittel zu ihrer Beschleunigung auf hohe Geschwindigkeiten und ein Ziel zu haben, das einem Elektronenbeschuss standhalten und Röntgenstrahlung erzeugen kann die erforderliche Intensität. Das Gerät, das all dies hat, wird Röntgenröhre genannt. Frühe Entdecker verwendeten „Tiefvakuum“-Röhren wie die heutigen Entladungsröhren. Das Vakuum in ihnen war nicht sehr hoch.

Entladungsröhren enthalten eine kleine Menge Gas, und wenn eine große Potentialdifferenz an die Elektroden der Röhre angelegt wird, verwandeln sich die Gasatome in positive und negative Ionen. Die positiven bewegen sich in Richtung der negativen Elektrode (Kathode) und schlagen Elektronen heraus, wenn sie darauf fallen, und sie bewegen sich wiederum in Richtung der positiven Elektrode (Anode) und erzeugen, indem sie sie bombardieren, einen Strom von Röntgenphotonen .

In der von Coolidge entwickelten modernen Röntgenröhre (Abb. 3) ist die Elektronenquelle eine auf hohe Temperatur erhitzte Wolframkathode. Die Elektronen werden durch die hohe Potentialdifferenz zwischen Anode (oder Antikathode) und Kathode auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Da die Elektronen die Anode erreichen müssen, ohne mit Atomen zu kollidieren, ist ein sehr hohes Vakuum erforderlich, wofür die Röhre gut evakuiert sein muss. Dadurch verringert sich auch die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation der verbleibenden Gasatome und der damit verbundenen Seitenströme.

Reis. 3. RÖNTGENRÖHRENKÜHLUNG. Beim Beschuss mit Elektronen sendet die Antikathode aus Wolfram charakteristische Röntgenstrahlen aus. Der Querschnitt des Röntgenstrahls ist kleiner als die tatsächlich bestrahlte Fläche. 1 - Elektronenstrahl; 2 - Kathode mit Fokussierelektrode; 3 - Glasschale (Rohr); 4 - Wolfram-Target (Antikathode); 5 - Kathodenfaden; 6 - tatsächlich bestrahlter Bereich; 7 - effektiver Brennpunkt; 8 - Kupferanode; 9 - Fenster; 10 - gestreute Röntgenstrahlen.

Die Elektronen werden durch eine speziell geformte Elektrode, die die Kathode umgibt, auf die Anode fokussiert. Diese Elektrode wird Fokussierelektrode genannt und bildet zusammen mit der Kathode den „elektronischen Scheinwerfer“ der Röhre. Die dem Elektronenbeschuss ausgesetzte Anode muss aus einem feuerfesten Material bestehen, da der Großteil der kinetischen Energie der auftreffenden Elektronen in Wärme umgewandelt wird. Außerdem ist es wünschenswert, dass die Anode aus einem Material mit hoher Ordnungszahl besteht, da die Röntgenausbeute steigt mit steigender Ordnungszahl. Das am häufigsten gewählte Anodenmaterial ist Wolfram mit der Ordnungszahl 74.

Das Design von Röntgenröhren kann je nach Anwendung und Anforderungen variieren.

Röntgenstrahlen spielen eine der wichtigsten Rollen bei der Untersuchung und praktischen Anwendung atomarer Phänomene. Dank ihrer Forschung wurden viele Entdeckungen gemacht und Methoden zur Analyse von Substanzen entwickelt, die in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Hier betrachten wir eine der Arten von Röntgenstrahlen - charakteristische Röntgenstrahlen.

Natur und Eigenschaften von Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlung ist eine hochfrequente Zustandsänderung eines elektromagnetischen Feldes, das sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 km / s im Weltraum ausbreitet, dh elektromagnetischer Wellen. Auf der Skala der Reichweite elektromagnetischer Strahlung liegt Röntgenstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 10 -8 bis 5∙10 -12 Metern, also um mehrere Größenordnungen kürzer als optische Wellen. Dies entspricht Frequenzen von 3∙10 16 bis 6∙10 19 Hz und Energien von 10 eV bis 250 keV bzw. 1,6∙10 -18 bis 4∙10 -14 J. Zu beachten ist, dass die Grenzen der Frequenzbereiche von elektromagnetische Strahlung sind aufgrund ihrer Überlagerung eher konventionell.

Ist die Wechselwirkung beschleunigter geladener Teilchen (hochenergetischer Elektronen) mit elektrischen und magnetischen Feldern und mit Materieatomen.

Röntgenphotonen zeichnen sich durch hohe Energien und hohes Durchdringungs- und Ionisationsvermögen aus, insbesondere für harte Röntgenstrahlung mit Wellenlängen kleiner 1 Nanometer (10 -9 m).

Röntgenstrahlen interagieren mit Materie und ionisieren ihre Atome bei den Prozessen des photoelektrischen Effekts (Photoabsorption) und der inkohärenten (Compton) Streuung. Bei der Photoabsorption überträgt ein Röntgenphoton, das von einem Elektron eines Atoms absorbiert wird, Energie auf dieses. Übersteigt sein Wert die Bindungsenergie eines Elektrons in einem Atom, dann verlässt es das Atom. Compton-Streuung ist charakteristisch für härtere (energetische) Röntgenphotonen. Ein Teil der Energie des absorbierten Photons wird für die Ionisierung aufgewendet; In diesem Fall wird unter einem bestimmten Winkel zur Richtung des primären Photons ein sekundäres mit einer niedrigeren Frequenz emittiert.

Arten von Röntgenstrahlung. Bremsstrahlung

Um Strahlen zu erhalten, werden Glasvakuumflaschen mit darin befindlichen Elektroden verwendet. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden muss sehr hoch sein – bis zu Hunderten von Kilovolt. An einer durch Strom erhitzten Wolframkathode tritt eine thermionische Emission auf, dh Elektronen werden von ihr emittiert, die, beschleunigt durch die Potentialdifferenz, die Anode bombardieren. Als Ergebnis ihrer Wechselwirkung mit den Atomen der Anode (manchmal Antikathode genannt) werden Röntgenphotonen geboren.

Je nachdem, welcher Prozess zur Geburt eines Photons führt, gibt es solche Arten von Röntgenstrahlung wie Bremsstrahlung und Charakteristik.

Elektronen können beim Treffen mit der Anode langsamer werden, dh Energie in den elektrischen Feldern ihrer Atome verlieren. Diese Energie wird in Form von Röntgenphotonen emittiert. Eine solche Strahlung wird Bremsstrahlung genannt.

Es ist klar, dass die Bremsbedingungen für einzelne Elektronen unterschiedlich sein werden. Das bedeutet, dass unterschiedlich viel ihrer kinetischen Energie in Röntgenstrahlung umgewandelt wird. Als Ergebnis enthält Bremsstrahlung Photonen unterschiedlicher Frequenzen und dementsprechend Wellenlängen. Daher ist sein Spektrum kontinuierlich (kontinuierlich). Aus diesem Grund wird es manchmal auch als „weiße“ Röntgenstrahlung bezeichnet.

Die Energie des Bremsstrahlungsphotons kann die kinetische Energie des Elektrons, das es erzeugt, nicht überschreiten, so dass die maximale Frequenz (und die kleinste Wellenlänge) der Bremsstrahlung dem größten Wert der kinetischen Energie der auf die Anode auftreffenden Elektronen entspricht. Letztere hängt von der an den Elektroden anliegenden Potentialdifferenz ab.

Es gibt eine andere Art von Röntgenstrahlung, die aus einem anderen Prozess stammt. Diese Strahlung wird als charakteristisch bezeichnet, und wir werden näher darauf eingehen.

Wie charakteristische Röntgenstrahlen entstehen

Nach Erreichen der Antikathode kann ein schnelles Elektron in das Atom eindringen und jedes Elektron aus einem der unteren Orbitale herausschlagen, dh Energie übertragen, die ausreicht, um die Potentialbarriere zu überwinden. Wenn jedoch im Atom höhere Energieniveaus mit Elektronen besetzt sind, bleibt der frei gewordene Platz nicht leer.

Es muss daran erinnert werden, dass die elektronische Struktur des Atoms wie jedes Energiesystem darauf abzielt, die Energie zu minimieren. Die durch den Knockout entstandene Leerstelle wird mit einem Elektron aus einem der höheren Niveaus aufgefüllt. Seine Energie ist höher und auf einem niedrigeren Niveau strahlt es einen Überschuss in Form eines Quants charakteristischer Röntgenstrahlung ab.

Die elektronische Struktur eines Atoms ist ein diskreter Satz möglicher Energiezustände von Elektronen. Daher können beim Ersetzen von Elektronenleerstellen emittierte Röntgenphotonen auch nur genau definierte Energiewerte haben, die den Niveauunterschied widerspiegeln. Dadurch weist die charakteristische Röntgenstrahlung kein kontinuierliches, sondern ein linienförmiges Spektrum auf. Ein solches Spektrum ermöglicht es, die Substanz der Anode zu charakterisieren – daher der Name dieser Strahlen. Gerade wegen der spektralen Unterschiede ist klar, was unter Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung zu verstehen ist.

Manchmal wird die überschüssige Energie nicht vom Atom abgegeben, sondern dafür aufgewendet, das dritte Elektron herauszuschlagen. Dieser Vorgang – der sogenannte Auger-Effekt – tritt eher auf, wenn die Elektronenbindungsenergie 1 keV nicht überschreitet. Die Energie des freigesetzten Auger-Elektrons hängt von der Struktur der Energieniveaus des Atoms ab, daher sind auch die Spektren solcher Elektronen diskret.

Gesamtansicht des charakteristischen Spektrums

Neben einem kontinuierlichen Bremsstrahlungsspektrum sind im Röntgenspektrum schmale charakteristische Linien vorhanden. Wenn wir das Spektrum als Diagramm der Intensität gegenüber der Wellenlänge (Frequenz) darstellen, sehen wir scharfe Spitzen an den Stellen der Linien. Ihre Position hängt vom Anodenmaterial ab. Diese Maxima sind bei jeder Potentialdifferenz vorhanden – bei Röntgenstrahlen gibt es immer auch Spitzen. Mit zunehmender Spannung an den Elektroden der Röhre nimmt die Intensität sowohl der kontinuierlichen als auch der charakteristischen Röntgenstrahlung zu, aber die Lage der Spitzen und das Verhältnis ihrer Intensitäten ändern sich nicht.

Die Peaks in den Röntgenspektren haben unabhängig vom Material der mit Elektronen bestrahlten Antikathode die gleiche Form, aber für verschiedene Materialien liegen sie bei unterschiedlichen Frequenzen, wobei sie sich entsprechend der Nähe der Frequenzwerte in Reihe vereinigen. Zwischen den Serien selbst ist der Unterschied in den Frequenzen viel signifikanter. Die Form der Maxima hängt in keiner Weise davon ab, ob das Anodenmaterial ein reines chemisches Element darstellt oder ob es sich um einen komplexen Stoff handelt. Im letzteren Fall werden die charakteristischen Röntgenspektren seiner Bestandteile einfach überlagert.

Mit zunehmender Ordnungszahl eines chemischen Elements verschieben sich alle Linien seines Röntgenspektrums zu zunehmender Frequenz. Das Spektrum behält seine Form.

Moseleys Gesetz

Das Phänomen der spektralen Verschiebung charakteristischer Linien wurde 1913 von dem englischen Physiker Henry Moseley experimentell entdeckt. Dadurch konnte er die Frequenzen der Maxima des Spektrums den Ordnungszahlen der chemischen Elemente zuordnen. Damit lässt sich die Wellenlänge der charakteristischen Röntgenstrahlung, wie sich herausstellte, eindeutig einem bestimmten Element zuordnen. Allgemein kann das Moseleysche Gesetz wie folgt geschrieben werden: √f = (Z - S n)/n√R, wobei f die Frequenz ist, Z die Ordnungszahl des Elements ist, S n die Abschirmkonstante ist, n die Prinzipalkonstante ist Quantenzahl, und R ist die Rydberg-Konstante. Diese Beziehung ist linear und erscheint im Moseley-Diagramm als eine Reihe gerader Linien für jeden Wert von n.

Die Werte von n entsprechen einzelnen Serien charakteristischer Röntgenpeaks. Das Moseleysche Gesetz erlaubt es, aus den gemessenen Wellenlängen (sie stehen in eindeutigem Zusammenhang mit den Frequenzen) der Maxima des Röntgenspektrums die Seriennummer eines von harten Elektronen bestrahlten chemischen Elements zu bestimmen.

Der Aufbau der Elektronenhüllen chemischer Elemente ist identisch. Dies wird durch die Monotonie der Verschiebungsänderung im charakteristischen Spektrum von Röntgenstrahlen angezeigt. Die Frequenzverschiebung spiegelt nicht strukturelle, sondern Energieunterschiede zwischen Elektronenhüllen wider, die für jedes Element einzigartig sind.

Die Rolle des Moseleyschen Gesetzes in der Atomphysik

Es gibt kleine Abweichungen von der streng linearen Beziehung, die durch das Gesetz von Moseley ausgedrückt wird. Sie hängen erstens mit den Besonderheiten der Füllreihenfolge der Elektronenschalen in einigen Elementen und zweitens mit den relativistischen Effekten der Elektronenbewegung in schweren Atomen zusammen. Wenn sich die Anzahl der Neutronen im Kern ändert (die sogenannte Isotopenverschiebung), kann sich außerdem die Position der Linien geringfügig ändern. Dieser Effekt ermöglichte es, die atomare Struktur im Detail zu studieren.

Die Bedeutung von Moseleys Gesetz ist außerordentlich groß. Seine konsequente Anwendung auf die Elemente von Mendeleevs Periodensystem etablierte das Muster, die Seriennummer entsprechend jeder kleinen Verschiebung in den charakteristischen Maxima zu erhöhen. Dies trug zur Klärung der Frage nach der physikalischen Bedeutung der Ordnungszahl der Elemente bei. Der Wert von Z ist nicht nur eine Zahl: Es ist die positive elektrische Ladung des Kerns, die die Summe der positiven Einheitsladungen der Teilchen ist, aus denen er besteht. Die korrekte Platzierung von Elementen in der Tabelle und das Vorhandensein leerer Positionen darin (damals existierten sie noch) wurde stark bestätigt. Die Gültigkeit des periodischen Gesetzes wurde bewiesen.

Das Gesetz von Moseley wurde darüber hinaus zur Grundlage, auf der ein ganzer Bereich der experimentellen Forschung entstand - die Röntgenspektrometrie.

Die Struktur der Elektronenhüllen des Atoms

Erinnern wir uns kurz an die Anordnung des Elektrons: Es besteht aus Schalen, die mit den Buchstaben K, L, M, N, O, P, Q oder Zahlen von 1 bis 7 bezeichnet werden Quantenzahl n, die die möglichen Energiewerte bestimmt. In äußeren Schalen ist die Energie der Elektronen höher und das Ionisationspotential für äußere Elektronen entsprechend niedriger.

Die Schale enthält eine oder mehrere Unterebenen: s, p, d, f, g, h, i. In jeder Schale erhöht sich die Anzahl der Unterebenen um eins gegenüber der vorherigen. Die Anzahl der Elektronen in jeder Unterebene und in jeder Schale kann einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Sie sind neben der Hauptquantenzahl durch den gleichen Wert der orbitalen Elektronenwolke gekennzeichnet, der die Form bestimmt. Unterebenen sind mit der Shell gekennzeichnet, zu der sie gehören, wie z. B. 2s, 4d usw.

Die Unterebene enthält, die zusätzlich zur Haupt- und Umlaufbahn durch eine weitere Quantenzahl festgelegt wird - magnetisch, die die Projektion des Bahnimpulses des Elektrons auf die Richtung des Magnetfelds bestimmt. Ein Orbital kann nicht mehr als zwei Elektronen haben, die sich im Wert der vierten Quantenzahl - dem Spin - unterscheiden.

Betrachten wir genauer, wie charakteristische Röntgenstrahlung entsteht. Da der Ursprung dieser Art elektromagnetischer Emission mit Phänomenen innerhalb des Atoms verbunden ist, ist es am bequemsten, sie genau in der Näherung elektronischer Konfigurationen zu beschreiben.

Der Mechanismus der Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlen

Ursache dieser Strahlung ist also die Bildung von Elektronenleerstellen in den inneren Schalen durch das Eindringen hochenergetischer Elektronen tief in das Atom. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein hartes Elektron wechselwirkt, steigt mit der Dichte der Elektronenwolken. Daher sind Kollisionen am wahrscheinlichsten innerhalb dicht gepackter Innenschalen, wie z. B. der untersten K-Schale. Hier wird das Atom ionisiert und es entsteht eine Leerstelle in der 1s-Schale.

Diese Lücke wird durch ein Elektron aus der Hülle mit höherer Energie gefüllt, dessen Überschuss vom Röntgenphoton weggetragen wird. Dieses Elektron kann von der zweiten Schale L „fallen“, von der dritten Schale M und so weiter. So entsteht die charakteristische Reihe, in diesem Beispiel die K-Reihe. Ein Hinweis darauf, woher das die Leerstelle füllende Elektron stammt, wird in Form eines griechischen Index bei der Bezeichnung der Reihe angegeben. „Alpha“ bedeutet, dass es aus der L-Schale kommt, „Beta“ – aus der M-Schale. Gegenwärtig besteht die Tendenz, die griechischen Buchstabenindizes durch die lateinischen zu ersetzen, die zur Bezeichnung von Muscheln übernommen wurden.

Die Intensität der Alpha-Linie in der Reihe ist immer am höchsten, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, eine Vakanz aus einer benachbarten Schale zu besetzen, am höchsten ist.

Nun können wir die Frage beantworten, was die maximale Energie des charakteristischen Röntgenquants ist. Es wird durch die Differenz der Energiewerte der Niveaus bestimmt, zwischen denen der Elektronenübergang auftritt, gemäß der Formel E \u003d E n 2 - E n 1, wobei E n 2 und E n 1 die Energien der sind elektronische Zustände, zwischen denen der Übergang stattfand. Der höchste Wert dieses Parameters wird durch Übergänge der K-Reihe von den höchstmöglichen Niveaus von Atomen schwerer Elemente gegeben. Aber die Intensität dieser Linien (Spitzenhöhen) ist am kleinsten, da sie am wenigsten wahrscheinlich sind.

Kann ein hartes Elektron wegen zu geringer Spannung an den Elektroden das K-Niveau nicht erreichen, bildet es auf dem L-Niveau eine Leerstelle und es entsteht eine energieärmere L-Reihe mit längeren Wellenlängen. Nachfolgende Serien werden auf ähnliche Weise geboren.

Außerdem erscheint bei Besetzung einer Vakanz durch einen elektronischen Übergang eine neue Vakanz in der darüberliegenden Schale. Damit sind die Voraussetzungen für die Generierung der nächsten Serie geschaffen. Elektronische Leerstellen bewegen sich von Ebene zu Ebene höher, und das Atom emittiert eine Kaskade charakteristischer Spektralreihen, während es ionisiert bleibt.

Feinstruktur charakteristischer Spektren

Röntgenatomspektren charakteristischer Röntgenstrahlung sind durch eine feine Struktur gekennzeichnet, die sich wie bei optischen Spektren in einer Linienaufspaltung ausdrückt.

Die Feinstruktur beruht auf der Tatsache, dass das Energieniveau – die Elektronenhülle – eine Reihe von eng beieinander liegenden Komponenten – Unterhüllen – ist. Zur Charakterisierung der Unterschalen wird noch eine interne Quantenzahl j eingeführt, die die Wechselwirkung der intrinsischen und orbitalen magnetischen Momente des Elektrons widerspiegelt.

In Verbindung mit dem Einfluss der Spin-Bahn-Wechselwirkung wird die Energiestruktur des Atoms komplizierter, und als Ergebnis hat die charakteristische Röntgenstrahlung ein Spektrum, das durch Spaltlinien mit sehr dicht beieinander liegenden Elementen gekennzeichnet ist.

Feinstrukturelemente werden üblicherweise durch zusätzliche digitale Indizes gekennzeichnet.

Die charakteristische Röntgenstrahlung hat ein Merkmal, das sich nur in der Feinstruktur des Spektrums widerspiegelt. Der Übergang eines Elektrons auf das niedrigste Energieniveau erfolgt nicht von der unteren Unterschale des darüber liegenden Niveaus. Ein solches Ereignis hat eine vernachlässigbare Wahrscheinlichkeit.

Die Verwendung von Röntgenstrahlen in der Spektrometrie

Diese Strahlung unterliegt aufgrund ihrer durch das Moseley-Gesetz beschriebenen Eigenschaften verschiedenen röntgenspektralen Methoden zur Analyse von Substanzen. Bei der Analyse des Röntgenspektrums werden entweder Beugung der Strahlung durch Kristalle (wellendispersive Methode) oder Detektoren verwendet, die empfindlich auf die Energie absorbierter Röntgenphotonen reagieren (energiedispersive Methode). Die meisten Elektronenmikroskope sind mit einer Art Röntgenspektrometrie-Aufsatz ausgestattet.

Die wellendispersive Spektrometrie zeichnet sich durch eine besonders hohe Genauigkeit aus. Mit Hilfe spezieller Filter werden die intensivsten Spitzen im Spektrum ausgewählt, wodurch es möglich ist, eine nahezu monochromatische Strahlung mit einer genau bekannten Frequenz zu erhalten. Das Anodenmaterial wird sehr sorgfältig ausgewählt, um sicherzustellen, dass ein monochromatischer Strahl der gewünschten Frequenz erhalten wird. Seine Beugung am Kristallgitter der untersuchten Substanz ermöglicht es, die Struktur des Gitters mit großer Genauigkeit zu untersuchen. Diese Methode wird auch bei der Untersuchung von DNA und anderen komplexen Molekülen verwendet.

Eines der Merkmale der charakteristischen Röntgenstrahlung wird auch in der Gammaspektrometrie berücksichtigt. Dies ist die hohe Intensität der charakteristischen Peaks. Gammaspektrometer verwenden eine Bleiabschirmung gegen externe Hintergrundstrahlung, die die Messungen stört. Aber Blei, das Gammaquanten absorbiert, erfährt eine innere Ionisierung, wodurch es aktiv im Röntgenbereich emittiert. Eine zusätzliche Cadmium-Abschirmung wird verwendet, um die intensiven Spitzen der charakteristischen Röntgenstrahlung von Blei zu absorbieren. Es wiederum wird ionisiert und sendet ebenfalls Röntgenstrahlen aus. Um die charakteristischen Spitzen von Cadmium zu neutralisieren, wird eine dritte Abschirmschicht verwendet - Kupfer, dessen Röntgenmaxima außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Gammaspektrometers liegen.

Die Spektrometrie verwendet sowohl Bremsstrahlung als auch charakteristische Röntgenstrahlen. So werden bei der Analyse von Substanzen die Absorptionsspektren kontinuierlicher Röntgenstrahlen durch verschiedene Substanzen untersucht.

Die moderne Medizin bedient sich vieler Ärzte zur Diagnose und Therapie. Einige von ihnen wurden erst vor relativ kurzer Zeit verwendet, während andere seit mehr als einem Dutzend oder sogar Hunderten von Jahren praktiziert werden. Außerdem entdeckte William Conrad Roentgen vor hundertzehn Jahren die erstaunlichen Röntgenstrahlen, die in der wissenschaftlichen und medizinischen Welt eine bedeutende Resonanz hervorriefen. Und jetzt verwenden Ärzte auf der ganzen Welt sie in ihrer Praxis. Das Thema unseres heutigen Gesprächs wird Röntgenstrahlen in der Medizin sein, auf deren Anwendung wir etwas ausführlicher eingehen werden.

Röntgenstrahlen sind eine der Varianten der elektromagnetischen Strahlung. Sie zeichnen sich durch erhebliche Durchdringungseigenschaften aus, die von der Wellenlänge der Strahlung sowie von der Dichte und Dicke der bestrahlten Materialien abhängen. Darüber hinaus können Röntgenstrahlen eine Reihe von Substanzen zum Leuchten bringen, lebende Organismen beeinflussen, Atome ionisieren und auch einige photochemische Reaktionen katalysieren.

Die Verwendung von Röntgenstrahlen in der Medizin

Bis heute erlauben die Eigenschaften von Röntgenstrahlen einen breiten Einsatz in der Röntgendiagnostik und Röntgentherapie.

Röntgendiagnostik

Die Röntgendiagnostik wird verwendet bei der Durchführung von:

Röntgen (Übertragung);
- Radiographie (Bild);
- Fluorographie;
- Röntgen und Computertomographie.

Fluoroskopie

Um eine solche Untersuchung durchzuführen, muss sich der Patient zwischen der Röntgenröhre und einem speziellen Leuchtschirm positionieren. Ein spezialisierter Radiologe wählt die erforderliche Härte der Röntgenstrahlen aus und erhält auf dem Bildschirm ein Bild der inneren Organe sowie der Rippen.

Radiographie

Für diese Untersuchung wird der Patient auf eine Kassette gelegt, die einen speziellen Film enthält. Das Röntgengerät wird direkt über dem Objekt platziert. Als Ergebnis erscheint auf dem Film ein Negativbild der inneren Organe, das eine Reihe feiner Details enthält, detaillierter als bei einer fluoroskopischen Untersuchung.

Fluorographie

Diese Studie wird während medizinischer Massenuntersuchungen der Bevölkerung durchgeführt, auch zum Nachweis von Tuberkulose. Gleichzeitig wird ein Bild von einer großen Leinwand auf einen Spezialfilm projiziert.

Tomographie

Bei der Tomographie helfen Computerstrahlen, Bilder von Organen an mehreren Stellen gleichzeitig zu erhalten: in speziell ausgewählten Gewebequerschnitten. Diese Reihe von Röntgenstrahlen wird als Tomogramm bezeichnet.

Computertomogramm

Eine solche Studie ermöglicht es Ihnen, Abschnitte des menschlichen Körpers mit einem Röntgenscanner zu registrieren. Nachdem die Daten in den Computer eingegeben wurden, erhält man ein Bild im Querschnitt.

Jede der aufgeführten diagnostischen Methoden basiert auf den Eigenschaften des Röntgenstrahls, den Film zu beleuchten, sowie auf der Tatsache, dass sich menschliches Gewebe und Knochenskelett in unterschiedlicher Durchlässigkeit für ihre Wirkungen unterscheiden.

Röntgentherapie

Die Fähigkeit von Röntgenstrahlen, Gewebe in besonderer Weise zu beeinflussen, wird zur Behandlung von Tumorbildungen genutzt. Gleichzeitig macht sich die ionisierende Wirkung dieser Strahlung besonders aktiv bemerkbar, wenn sie teilungsfähigen Zellen ausgesetzt ist. Es sind diese Eigenschaften, die die Zellen bösartiger onkologischer Formationen auszeichnen.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Röntgentherapie viele schwerwiegende Nebenwirkungen haben kann. Ein solcher Einfluss wirkt sich aggressiv auf den Zustand des hämatopoetischen, endokrinen und Immunsystems aus, dessen Zellen sich ebenfalls sehr schnell teilen. Aggressive Einflüsse auf sie können Anzeichen einer Strahlenkrankheit hervorrufen.

Die Wirkung von Röntgenstrahlung auf den Menschen

Bei der Untersuchung von Röntgenstrahlen stellten Ärzte fest, dass sie zu Hautveränderungen führen können, die einem Sonnenbrand ähneln, jedoch mit tieferen Hautschäden einhergehen. Solche Geschwüre heilen sehr lange. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass solche Läsionen vermieden werden können, indem die Zeit und Dosis der Strahlung reduziert sowie spezielle Abschirmungs- und Fernsteuerungsmethoden verwendet werden.

Der aggressive Einfluss von Röntgenstrahlen kann sich auch langfristig manifestieren: vorübergehende oder dauerhafte Veränderungen der Blutzusammensetzung, Leukämieanfälligkeit und vorzeitige Alterung.

Die Wirkung von Röntgenstrahlen auf einen Menschen hängt von vielen Faktoren ab: Welches Organ wird wie lange bestrahlt. Die Bestrahlung der hämatopoetischen Organe kann zu Blutkrankheiten führen, und die Exposition gegenüber den Geschlechtsorganen kann zu Unfruchtbarkeit führen.

Die Durchführung einer systematischen Bestrahlung ist mit der Entwicklung genetischer Veränderungen im Körper behaftet.

Der wahre Schaden von Röntgenstrahlen in der Röntgendiagnostik

Während der Untersuchung verwenden die Ärzte die geringstmögliche Menge an Röntgenstrahlen. Alle Strahlendosen erfüllen bestimmte akzeptable Standards und können einer Person nicht schaden. Die Röntgendiagnostik stellt nur für die Ärzte, die sie durchführen, eine erhebliche Gefahr dar. Und dann helfen moderne Schutzmethoden, die Aggression der Strahlen auf ein Minimum zu reduzieren.

Zu den sichersten Methoden der Radiodiagnostik gehören Röntgenaufnahmen der Extremitäten sowie Zahnröntgen. An zweiter Stelle dieser Bewertung steht die Mammographie, gefolgt von der Computertomographie und danach die Radiographie.

Damit der Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin einer Person nur zugute kommt, ist es notwendig, mit ihrer Hilfe nur nach Indikation zu forschen.

1895 entdeckte der deutsche Physiker Röntgen bei Experimenten zum Stromdurchgang zwischen zwei Elektroden im Vakuum, dass ein mit einem Leuchtstoff (Bariumsalz) bedeckter Schirm leuchtet, obwohl das Entladungsrohr mit einem schwarzen Pappschirm verschlossen ist - So wurde Strahlung entdeckt, die undurchsichtige Barrieren durchdringt, Röntgenstrahlen genannt. Es wurde festgestellt, dass Röntgenstrahlen, die für den Menschen unsichtbar sind, in undurchsichtigen Objekten umso stärker absorbiert werden, je größer die Ordnungszahl (Dichte) der Barriere ist, sodass Röntgenstrahlen die Weichteile des menschlichen Körpers leicht passieren, aber zurückgehalten werden durch die Knochen des Skeletts. Es wurden Quellen für starke Röntgenstrahlen entwickelt, die es ermöglichten, durch Metallteile zu strahlen und darin innere Defekte zu finden.

Der deutsche Physiker Laue schlug vor, dass Röntgenstrahlen die gleiche elektromagnetische Strahlung wie sichtbare Lichtstrahlen sind, aber mit einer kürzeren Wellenlänge und alle Gesetze der Optik auf sie anwendbar sind, einschließlich Beugung ist möglich. In der Optik des sichtbaren Lichts kann die Beugung auf elementarer Ebene als die Reflexion von Licht von einem Rillensystem dargestellt werden - einem Beugungsgitter, das nur unter bestimmten Winkeln auftritt, während der Reflexionswinkel der Strahlen mit dem Einfallswinkel zusammenhängt. der Abstand zwischen den Rillen des Beugungsgitters und der Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Für die Beugung ist es erforderlich, dass der Abstand zwischen den Strichen ungefähr gleich der Wellenlänge des einfallenden Lichts ist.

Laue schlug vor, dass Röntgenstrahlen eine Wellenlänge nahe dem Abstand zwischen einzelnen Atomen in Kristallen haben, d.h. Atome in einem Kristall erzeugen ein Beugungsgitter für Röntgenstrahlen. Auf die Oberfläche des Kristalls gerichtete Röntgenstrahlen wurden, wie von der Theorie vorhergesagt, auf der Fotoplatte reflektiert.

Jede Positionsänderung von Atomen beeinflusst das Beugungsmuster, und durch Untersuchung der Beugung von Röntgenstrahlen kann man die Anordnung von Atomen in einem Kristall und die Änderung dieser Anordnung unter physikalischen, chemischen und mechanischen Einflüssen auf den Kristall herausfinden .

Jetzt wird die Röntgenanalyse in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie eingesetzt, mit ihrer Hilfe lernten sie die Anordnung von Atomen in bestehenden Materialien und schufen neue Materialien mit einer bestimmten Struktur und Eigenschaften. Die jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet (Nanomaterialien, amorphe Metalle, Verbundwerkstoffe) schaffen ein Betätigungsfeld für die nächsten wissenschaftlichen Generationen.

Das Vorkommen und die Eigenschaften von Röntgenstrahlen

Die Röntgenquelle ist eine Röntgenröhre mit zwei Elektroden - einer Kathode und einer Anode. Wenn die Kathode erhitzt wird, findet eine Elektronenemission statt, die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen auf die Anodenoberfläche. Eine Röntgenröhre unterscheidet sich von einer herkömmlichen Radiolampe (Diode) hauptsächlich durch eine höhere Beschleunigungsspannung (mehr als 1 kV).

Wenn ein Elektron aus der Kathode fliegt, lässt es das elektrische Feld in Richtung der Anode fliegen, während seine Geschwindigkeit kontinuierlich zunimmt, trägt das Elektron ein Magnetfeld, dessen Intensität mit der Geschwindigkeit des Elektrons zunimmt. Beim Erreichen der Anodenoberfläche wird das Elektron stark abgebremst und es entsteht ein elektromagnetischer Impuls mit Wellenlängen in einem bestimmten Bereich (Bremsstrahlung). Die Verteilung der Strahlungsintensität über Wellenlängen hängt vom Material der Anode der Röntgenröhre und der angelegten Spannung ab, während diese Kurve auf der kurzwelligen Seite bei einer bestimmten minimalen Schwellenwellenlänge beginnt, die von der angelegten Spannung abhängt. Der Satz von Strahlen mit allen möglichen Wellenlängen bildet ein kontinuierliches Spektrum, und die Wellenlänge, die der maximalen Intensität entspricht, ist das 1,5-fache der minimalen Wellenlänge.

Mit steigender Spannung verändert sich das Röntgenspektrum durch die Wechselwirkung von Atomen mit hochenergetischen Elektronen und Quanten primärer Röntgenstrahlung dramatisch. Ein Atom enthält innere Elektronenhüllen (Energieniveaus), deren Anzahl von der Ordnungszahl abhängt (bezeichnet mit den Buchstaben K, L, M usw.) Elektronen und primäre Röntgenstrahlen schlagen Elektronen von einem Energieniveau zum anderen heraus . Es entsteht ein metastabiler Zustand, und für den Übergang in einen stabilen Zustand ist ein Elektronensprung in die entgegengesetzte Richtung notwendig. Dieser Sprung wird von der Freisetzung eines Energiequants und dem Auftreten von Röntgenstrahlen begleitet. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen mit kontinuierlichem Spektrum hat diese Strahlung einen sehr engen Wellenlängenbereich und eine hohe Intensität (charakteristische Strahlung) ( cm. Reis.). Die Anzahl der Atome, die die Intensität der charakteristischen Strahlung bestimmen, ist sehr groß, zum Beispiel für eine Röntgenröhre mit einer Kupferanode bei einer Spannung von 1 kV, einem Strom von 15 mA, 10 14–10 15 Atome geben charakteristische Strahlung ab für 1 Sek. Dieser Wert errechnet sich aus dem Verhältnis der gesamten Röntgenleistung zur Energie des Röntgenquants aus der K-Schale (K-Reihe der Röntgencharakteristikstrahlung). Die Gesamtleistung der Röntgenstrahlung beträgt in diesem Fall nur 0,1% der verbrauchten Leistung, der Rest geht hauptsächlich durch den Übergang in Wärme verloren.

Aufgrund ihrer hohen Intensität und ihres engen Wellenlängenbereichs ist charakteristische Röntgenstrahlung die Hauptstrahlungsart, die in der wissenschaftlichen Forschung und Prozesskontrolle verwendet wird. Gleichzeitig mit den Strahlen der K-Serie werden Strahlen der L- und M-Serie erzeugt, die viel längere Wellenlängen haben, aber ihre Anwendung ist begrenzt. Die K-Serie hat zwei Komponenten mit nahe beieinander liegenden Wellenlängen a und b, während die Intensität der b-Komponente fünfmal geringer ist als a. Die a-Komponente wiederum ist durch zwei sehr nahe beieinander liegende Wellenlängen gekennzeichnet, von denen die eine doppelt so intensiv ist wie die andere. Um Strahlung mit einer einzigen Wellenlänge (monochromatische Strahlung) zu erhalten, wurden spezielle Verfahren entwickelt, die die Abhängigkeit der Absorption und Beugung von Röntgenstrahlen von der Wellenlänge nutzen. Eine Erhöhung der Ordnungszahl eines Elements ist mit einer Änderung der Eigenschaften der Elektronenhüllen verbunden, und je größer die Ordnungszahl des Anodenmaterials der Röntgenröhre ist, desto kürzer ist die Wellenlänge der K-Reihe. Die am weitesten verbreiteten Röhren mit Anoden aus Elementen mit Ordnungszahlen von 24 bis 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) und Wellenlängen von 2,29 bis 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Neben der Röntgenröhre können radioaktive Isotope Quellen von Röntgenstrahlen sein, einige können direkt Röntgenstrahlen emittieren, andere emittieren Elektronen und a-Teilchen, die beim Beschuss von Metallzielen Röntgenstrahlen erzeugen. Die Röntgenintensität radioaktiver Quellen ist normalerweise viel geringer als die einer Röntgenröhre (mit Ausnahme von radioaktivem Kobalt, das zur Fehlersuche verwendet wird und Strahlung einer sehr kleinen Wellenlänge abgibt - g-Strahlung). klein und benötigen keinen Strom. Synchrotron-Röntgenstrahlen werden in Elektronenbeschleunigern erzeugt, die Wellenlänge dieser Strahlung ist viel höher als die in Röntgenröhren erhaltene (weiche Röntgenstrahlung), ihre Intensität ist um mehrere Größenordnungen höher als die Intensität von Röntgenröhren. Es gibt auch natürliche Quellen von Röntgenstrahlen. Radioaktive Verunreinigungen wurden in vielen Mineralien gefunden, und Röntgenstrahlen von Weltraumobjekten, einschließlich Sternen, wurden aufgezeichnet.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Kristallen

Bei der Röntgenuntersuchung von Materialien mit kristalliner Struktur werden die Interferenzmuster analysiert, die durch die Streuung von Röntgenstrahlen durch Elektronen entstehen, die zu den Atomen des Kristallgitters gehören. Atome gelten als unbeweglich, ihre thermischen Schwingungen werden nicht berücksichtigt, und alle Elektronen desselben Atoms gelten als an einem Punkt konzentriert - einem Knoten des Kristallgitters.

Um die Grundgleichungen der Röntgenbeugung in einem Kristall herzuleiten, wird die Interferenz von Strahlen betrachtet, die an Atomen gestreut werden, die sich entlang einer geraden Linie im Kristallgitter befinden. Auf diese Atome fällt eine ebene Welle monochromatischer Röntgenstrahlung unter einem Winkel, dessen Kosinus gleich a 0 ist. Die Interferenzgesetze von an Atomen gestreuten Strahlen ähneln denen eines Beugungsgitters, das Lichtstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich streut. Damit sich die Amplituden aller Schwingungen in großer Entfernung von der Atomreihe aufsummieren, ist es notwendig und ausreichend, dass der Unterschied im Gang der Strahlen, die von jedem Paar benachbarter Atome kommen, eine ganze Zahl von Wellenlängen enthält. Wenn der Abstand zwischen Atomen aber diese Bedingung sieht so aus:

aber(ein – a0) = h ich,

wobei a der Kosinus des Winkels zwischen der Atomreihe und dem abgelenkten Strahl ist, h- ganze Zahl. In alle Richtungen, die diese Gleichung nicht erfüllen, breiten sich die Strahlen nicht aus. Somit bilden die gestreuten Strahlen ein System koaxialer Kegel, deren gemeinsame Achse die Atomreihe ist. Spuren von Kegeln auf einer Ebene parallel zur Atomreihe sind Hyperbeln und auf einer Ebene senkrecht zur Reihe Kreise.

Wenn Strahlen unter einem konstanten Winkel einfallen, zerfällt polychromatische (weiße) Strahlung in ein Spektrum von Strahlen, die unter festen Winkeln abgelenkt werden. Die Atomreihe ist also ein Spektrograph für Röntgenstrahlen.

Die Verallgemeinerung auf ein zweidimensionales (flaches) Atomgitter und dann auf ein dreidimensionales volumetrisches (räumliches) Kristallgitter ergibt zwei weitere ähnliche Gleichungen, die die Einfalls- und Reflexionswinkel von Röntgenstrahlen und die Abstände zwischen Atomen in drei enthalten Richtungen. Diese Gleichungen werden Laue-Gleichungen genannt und liegen der Röntgenbeugungsanalyse zugrunde.

Die Amplituden der von parallelen Atomebenen reflektierten Strahlen addieren sich und seitdem die Zahl der Atome sehr groß ist, kann die reflektierte Strahlung experimentell bestimmt werden. Die Reflexionsbedingung wird durch die Wulff-Bragg-Gleichung2d sinq = nl beschrieben, wobei d der Abstand zwischen benachbarten Atomebenen ist, q der Glanzwinkel zwischen der Richtung des einfallenden Strahls und diesen Ebenen im Kristall ist, l der Röntgenstrahl ist Wellenlänge, und n ist eine ganze Zahl, die Reflexionsordnung genannt wird. Der Winkel q ist der Einfallswinkel in Bezug auf die Atomebenen, die nicht notwendigerweise in Richtung mit der Oberfläche der untersuchten Probe zusammenfallen.

Es wurden mehrere Verfahren zur Röntgenbeugungsanalyse entwickelt, die sowohl Strahlung mit kontinuierlichem Spektrum als auch monochromatische Strahlung verwenden. Dabei kann das Untersuchungsobjekt stationär oder rotierend sein, aus einem Kristall (Einkristall) oder vielen (Polykristall) bestehen, gebeugte Strahlung kann mit einem ebenen oder zylindrischen Röntgenfilm oder einem sich bewegenden Röntgendetektor aufgenommen werden um den Umfang herum wird jedoch in allen Fällen während des Experiments und der Interpretation der Ergebnisse die Wulf-Bragg-Gleichung verwendet.

Röntgenanalyse in Wissenschaft und Technik

Mit der Entdeckung der Röntgenbeugung steht Forschern eine Methode zur Verfügung, mit der sie ohne Mikroskop die Anordnung einzelner Atome und Veränderungen dieser Anordnung unter äußeren Einflüssen untersuchen können.

Die Hauptanwendung von Röntgenstrahlen in der Grundlagenforschung ist die Strukturanalyse, d.h. Feststellung der räumlichen Anordnung einzelner Atome in einem Kristall. Dazu werden Einkristalle gezüchtet und eine Röntgenanalyse durchgeführt, bei der sowohl der Ort als auch die Intensität der Reflexionen untersucht werden. Jetzt wurden nicht nur die Strukturen von Metallen, sondern auch von komplexen organischen Substanzen bestimmt, in denen Elementarzellen Tausende von Atomen enthalten.

In der Mineralogie wurden die Strukturen tausender Mineralien durch Röntgenanalyse bestimmt und Schnellverfahren zur Analyse mineralischer Rohstoffe geschaffen.

Metalle haben eine relativ einfache Kristallstruktur und die Röntgenmethode ermöglicht es, ihre Veränderungen während verschiedener technologischer Behandlungen zu untersuchen und die physikalischen Grundlagen für neue Technologien zu schaffen.

Die Phasenzusammensetzung von Legierungen wird durch die Linienanordnung auf Röntgenbildern, die Anzahl, Größe und Form der Kristalle durch ihre Breite, die Orientierung der Kristalle (Textur) durch die Intensitätsverteilung im Beugungskegel bestimmt.

Diese Techniken werden verwendet, um die Prozesse während der plastischen Verformung zu untersuchen, einschließlich des Zerbrechens von Kristallen, des Auftretens von inneren Spannungen und von Fehlern in der Kristallstruktur (Versetzungen). Beim Erhitzen verformter Materialien werden Spannungsabbau und Kristallwachstum (Rekristallisation) untersucht.

Bei der Röntgenanalyse von Legierungen bestimmen Sie die Zusammensetzung und Konzentration von Mischkristallen. Wenn eine feste Lösung auftritt, ändern sich die interatomaren Abstände und folglich die Abstände zwischen Atomebenen. Diese Änderungen sind gering, daher wurden spezielle Präzisionsverfahren entwickelt, um die Perioden des Kristallgitters mit einer Genauigkeit zu messen, die zwei Größenordnungen höher ist als die Messgenauigkeit herkömmlicher Röntgenverfahren. Die Kombination von Präzisionsmessungen der Perioden des Kristallgitters und der Phasenanalyse ermöglicht es, die Grenzen der Phasengebiete in das Zustandsdiagramm einzuzeichnen. Das Röntgenverfahren kann auch Zwischenzustände zwischen Mischkristallen und chemischen Verbindungen erkennen – geordnete Mischkristalle, in denen Fremdatome nicht zufällig wie in Mischkristallen und gleichzeitig nicht mit einer dreidimensionalen Ordnung wie in Chemikalien angeordnet sind Verbindungen. Auf den Röntgenbildern geordneter Mischkristalle gibt es zusätzliche Linien; die Interpretation der Röntgenbilder zeigt, dass Fremdatome bestimmte Plätze im Kristallgitter besetzen, zum Beispiel an den Ecken eines Würfels.

Während des Abschreckens einer Legierung, die keinen Phasenumwandlungen unterliegt, kann eine übersättigte feste Lösung auftreten, und beim weiteren Erhitzen oder sogar Halten bei Raumtemperatur zersetzt sich die feste Lösung unter Freisetzung von Partikeln einer chemischen Verbindung. Dies ist der Effekt des Alterns und erscheint auf Röntgenbildern als Veränderung der Position und Breite der Linien. Die Untersuchung der Alterung ist besonders wichtig für Nichteisenlegierungen, zum Beispiel verwandelt die Alterung eine weiche, gehärtete Aluminiumlegierung in ein starkes Strukturmaterial, Duraluminium.

Röntgenuntersuchungen der Wärmebehandlung von Stahl sind von größter technologischer Bedeutung. Beim Härten (schnelles Abkühlen) von Stahl tritt ein diffusionsloser Austenit-Martensit-Phasenübergang auf, der zu einer Änderung des Gefüges von kubisch nach tetragonal, d.h. die Einheitszelle hat die Form eines rechteckigen Prismas. Auf Röntgenbildern erscheint dies als eine Erweiterung der Linien und die Trennung einiger Linien in zwei. Die Gründe für diesen Effekt sind nicht nur eine Änderung der Kristallstruktur, sondern auch das Auftreten großer Eigenspannungen aufgrund des thermodynamischen Ungleichgewichts des martensitischen Gefüges und der schnellen Abkühlung. Beim Anlassen (Erhitzen von gehärtetem Stahl) verengen sich die Linien auf den Röntgenbildern, dies liegt an der Rückkehr zum Gleichgewichtsgefüge.

In den letzten Jahren haben Röntgenuntersuchungen zur Bearbeitung von Materialien mit konzentrierten Energieströmen (Laserstrahlen, Stoßwellen, Neutronen und Elektronenpulse) große Bedeutung erlangt, sie erforderten neue Techniken und erzeugten neue Röntgeneffekte. Beispielsweise kommt es bei der Einwirkung von Laserstrahlen auf Metalle zu einer so schnellen Erwärmung und Abkühlung, dass im Metall beim Abkühlen die Kristalle Zeit haben, nur bis zu einer Größe von mehreren Elementarzellen (Nanokristallen) anzuwachsen oder keine Zeit haben, sich zu bilden überhaupt. Ein solches Metall sieht nach dem Abkühlen wie ein gewöhnliches aus, ergibt jedoch keine klaren Linien im Röntgenmuster, und die reflektierten Röntgenstrahlen sind über den gesamten Bereich der Glanzwinkel verteilt.

Nach der Neutronenbestrahlung erscheinen auf den Röntgenbildern zusätzliche Flecken (diffuse Maxima). Radioaktiver Zerfall verursacht auch spezifische Röntgeneffekte, die mit einer Veränderung der Struktur verbunden sind, sowie die Tatsache, dass die untersuchte Probe selbst zu einer Quelle von Röntgenstrahlen wird.