Historia odkrycia i zastosowania promieni rentgenowskich. Wykład Promieniowanie rentgenowskie Fale rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie to fale elektromagnetyczne o długości fali od około 80 do 10 -5 nm. Promieniowanie rentgenowskie o najdłuższej długości fali jest pokrywane przez ultrafiolet o krótkiej długości fali, fale o krótkiej długości przez promieniowanie γ o dużej długości fali. Zgodnie z metodą wzbudzenia promieniowanie rentgenowskie dzieli się na bremsstrahlung i charakterystyczne.

31.1. URZĄDZENIE LAMPY RTG. Prześwietlenie promieni rentgenowskich

Najczęstszym źródłem promieniowania rentgenowskiego jest lampa rentgenowska, która jest dwuelektrodowym urządzeniem próżniowym (ryc. 31.1). Ogrzewana katoda 1 emituje elektrony 4. Anoda 2, często określana jako antykatoda, ma nachyloną powierzchnię w celu skierowania powstałych promieni rentgenowskich 3 pod kątem do osi rury. Anoda jest wykonana z materiału silnie przewodzącego ciepło, który usuwa ciepło generowane przez uderzenie elektronów. Powierzchnia anody jest wykonana z materiałów ogniotrwałych o dużej liczbie atomowej w układzie okresowym, takich jak wolfram. W niektórych przypadkach anoda jest specjalnie chłodzona wodą lub olejem.

W przypadku lamp diagnostycznych ważna jest precyzja źródła promieniowania rentgenowskiego, co można osiągnąć skupiając elektrony w jednym miejscu antykatody. Dlatego konstruktywnie należy wziąć pod uwagę dwa przeciwstawne zadania: z jednej strony elektrony muszą spaść na jedno miejsce anody, z drugiej strony, aby zapobiec przegrzaniu, pożądane jest rozprowadzenie elektronów na różne części anody anoda. Jednym z ciekawych rozwiązań technicznych jest lampa rentgenowska z obrotową anodą (rys. 31.2).

W wyniku spowolnienia elektronu (lub innej naładowanej cząstki) przez pole elektrostatyczne jądra atomowego i elektronów atomowych substancji antykatody, promieniowanie bremsstrahlung.

Jego mechanizm można wyjaśnić w następujący sposób. Poruszający się ładunek elektryczny jest związany z polem magnetycznym, którego indukcja zależy od prędkości elektronu. Podczas hamowania magnetyczny

indukcja i zgodnie z teorią Maxwella pojawia się fala elektromagnetyczna.

Kiedy elektrony zwalniają, tylko część energii jest wykorzystywana do wytworzenia fotonu rentgenowskiego, a druga część jest zużywana na ogrzewanie anody. Ponieważ stosunek między tymi częściami jest przypadkowy, gdy duża liczba elektronów zwalnia, powstaje ciągłe widmo promieniowania rentgenowskiego. W związku z tym bremsstrahlung jest również nazywany ciągłym. Na ryc. 31.3 pokazuje zależność strumienia promieniowania rentgenowskiego od długości fali λ (widma) przy różnych napięciach w lampie rentgenowskiej: U 1< U 2 < U 3 .

W każdym z widm najkrótsza długość fali bremsstrahlung λ ηίη powstaje, gdy energia nabyta przez elektron w przyspieszającym polu jest całkowicie zamieniona na energię fotonu:

Należy zauważyć, że na podstawie (31.2) opracowano jedną z najdokładniejszych metod doświadczalnego wyznaczania stałej Plancka.

Promienie rentgenowskie o krótkich falach mają zwykle większą siłę przenikania niż te o długich falach i są nazywane twardy, i długofalowe miękki.

Zwiększając napięcie na lampie rentgenowskiej zmienia się skład spektralny promieniowania, co widać na ryc. 31.3 i formuły (31.3) oraz zwiększyć sztywność.

Jeśli temperatura żarnika katodowego wzrośnie, wzrośnie emisja elektronów i prąd w rurze. Zwiększy to liczbę fotonów promieniowania rentgenowskiego emitowanych co sekundę. Jego skład spektralny się nie zmieni. Na ryc. 31.4 pokazuje widma rentgenowskie bremsstrahlung przy tym samym napięciu, ale przy różnych prądach żarnika katodowego: / n1< / н2 .

Strumień rentgenowski oblicza się według wzoru:

gdzie U oraz I- napięcie i prąd w lampie rentgenowskiej; Z- numer seryjny atomu substancji anodowej; k- współczynnik proporcjonalności. Widma uzyskane jednocześnie z różnych antykatod U i I H pokazano na ryc. 31.5.

31.2. CHARAKTERYSTYCZNE PROMIENIOWANIE RTG. ATOMOWE SPEKTRA RTG

Zwiększając napięcie na lampie rentgenowskiej można zauważyć pojawienie się linii, która odpowiada

charakterystyczne prześwietlenia(Rys. 31.6). Powstaje dzięki temu, że przyspieszone elektrony wnikają w głąb atomu i wybijają elektrony z warstw wewnętrznych. Elektrony z wyższych poziomów przemieszczają się w wolne miejsca (rys. 31.7), w wyniku czego emitowane są fotony o charakterystycznym promieniowaniu. Jak widać na rysunku, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie składa się z serii K, L, M itp., których nazwa służyła do oznaczenia warstw elektronicznych. Ponieważ emisja serii K zwalnia przestrzeń w wyższych warstwach, emitowane są jednocześnie linie innych serii.

W przeciwieństwie do widm optycznych, charakterystyczne widma rentgenowskie różnych atomów są tego samego typu. Na ryc. 31.8 pokazuje widma różnych pierwiastków. Jednolitość tych widm wynika z tego, że wewnętrzne warstwy różnych atomów są takie same i różnią się tylko energetycznie, ponieważ siła oddziaływania z jądra wzrasta wraz ze wzrostem liczby porządkowej pierwiastka. Ta okoliczność prowadzi do tego, że charakterystyczne widma przesuwają się w kierunku wyższych częstotliwości wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Ten wzór jest widoczny na ryc. 31.8 i znany jako Prawo Moseleya:

gdzie v- częstotliwość linii widmowej; Z- liczba atomowa elementu emitującego; A oraz V- stały.

Istnieje jeszcze jedna różnica między widmami optycznymi i rentgenowskimi.

Charakterystyczne widmo rentgenowskie atomu nie zależy od związku chemicznego, w którym znajduje się ten atom. Na przykład widmo rentgenowskie atomu tlenu jest takie samo dla O, O 2 i H 2 O, podczas gdy widma optyczne tych związków są znacząco różne. Ta cecha widma rentgenowskiego atomu była podstawą nazwy Charakterystyka.

Promieniowanie charakterystyczne występuje zawsze wtedy, gdy w wewnętrznych warstwach atomu jest wolna przestrzeń, niezależnie od przyczyny, która je wywołała. Na przykład charakterystyczne promieniowanie towarzyszy jednemu z rodzajów rozpadu promieniotwórczego (patrz 32.1), który polega na wychwytywaniu elektronu z warstwy wewnętrznej przez jądro.

31.3. ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO Z SUBSTANCJĄ

Rejestracja i wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego, a także jego wpływ na obiekty biologiczne, determinowane są pierwotnymi procesami oddziaływania fotonu rentgenowskiego z elektronami atomów i molekuł substancji.

W zależności od stosunku energii hv foton i energia jonizacji 1 A i istnieją trzy główne procesy.

Spójne (klasyczne) rozpraszanie

Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego o długich falach zachodzi głównie bez zmiany długości fali i nazywa się zgodny. Występuje, gdy energia fotonu jest mniejsza niż energia jonizacji: hv< i.

Ponieważ w tym przypadku energia fotonu rentgenowskiego i atomu nie zmienia się, samo rozpraszanie koherentne nie powoduje efektu biologicznego. Jednak przy tworzeniu ochrony przed promieniowaniem rentgenowskim należy wziąć pod uwagę możliwość zmiany kierunku wiązki pierwotnej. Ten rodzaj interakcji jest ważny dla analizy dyfrakcji rentgenowskiej (patrz 24.7).

Niespójne rozpraszanie (efekt Comptona)

W 1922 A.Ch. Compton, obserwując rozpraszanie twardych promieni rentgenowskich, odkrył spadek siły przenikania wiązki rozproszonej w porównaniu z wiązką padającą. Oznaczało to, że długość fali rozproszonych promieni rentgenowskich była większa niż padających promieni rentgenowskich. Nazywa się rozpraszanie promieni rentgenowskich ze zmianą długości fali niespójny nym, a samo zjawisko - efekt Comptona. Występuje, gdy energia fotonu rentgenowskiego jest większa niż energia jonizacji: hv > A i.

Zjawisko to wynika z faktu, że podczas interakcji z atomem energia hv foton jest zużywany na produkcję nowego rozproszonego fotonu rentgenowskiego z energią hv", oderwać elektron od atomu (energia jonizacji A u) i nadać elektronowi energię kinetyczną E do:

hv \u003d hv ” + A i + E k.(31.6)

1 Tutaj energia jonizacji jest rozumiana jako energia wymagana do usunięcia elektronów wewnętrznych z atomu lub cząsteczki.

Ponieważ w wielu przypadkach hv>> A i i efekt Comptona występuje na elektronach swobodnych, wtedy możemy napisać w przybliżeniu:

hv = hv"+ E K .(31.7)

Znamienne jest to, że w tym zjawisku (ryc. 31.9) wraz z wtórnym promieniowaniem rentgenowskim (energia hv" foton) pojawiają się elektrony odrzutu (energia kinetyczna E do elektron). Atomy lub cząsteczki stają się wtedy jonami.

efekt fotoelektryczny

W efekcie fotoelektrycznym promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przez atom, w wyniku czego elektron wylatuje, a atom ulega jonizacji (fotojonizacja).

Omówione powyżej trzy główne procesy interakcji są pierwotne, prowadzą do kolejnych wtórnych, trzeciorzędnych itp. zjawiska. Na przykład zjonizowane atomy mogą emitować charakterystyczne widmo, wzbudzone atomy mogą stać się źródłami światła widzialnego (luminescencja rentgenowska) itp.

Na ryc. 31.10 to schemat możliwych procesów zachodzących, gdy promieniowanie rentgenowskie wnika do substancji. Kilkadziesiąt procesów podobnych do pokazanego może zajść zanim energia fotonu rentgenowskiego zostanie zamieniona na energię ruchu termicznego cząsteczek. W rezultacie nastąpią zmiany w składzie molekularnym substancji.

Procesy reprezentowane przez diagram na ryc. 31.10, leżą u podstaw zjawisk obserwowanych pod wpływem promieni rentgenowskich na materię. Wymieńmy niektóre z nich.

luminescencja rentgenowska- blask wielu substancji pod wpływem promieniowania rentgenowskiego. Taki blask baru platynowo-cyjanowego umożliwił Roentgenowi odkrycie promieni. Zjawisko to wykorzystywane jest do tworzenia specjalnych ekranów świetlnych w celu wizualnej obserwacji promieni rentgenowskich, czasami w celu wzmocnienia działania promieni rentgenowskich na kliszę fotograficzną.

Znane jest chemiczne działanie promieniowania rentgenowskiego, np. powstawanie nadtlenku wodoru w wodzie. Praktycznie ważnym przykładem jest efekt na kliszy fotograficznej, który umożliwia wykrycie takich promieni.

Efekt jonizacji objawia się wzrostem przewodności elektrycznej pod wpływem promieni rentgenowskich. Ta właściwość jest używana

w dozymetrii do ilościowego określenia wpływu tego rodzaju promieniowania.

W wyniku wielu procesów pierwotna wiązka promieniowania rentgenowskiego ulega osłabieniu zgodnie z prawem (29.3). Napiszmy to w formie:

ja = I0 mi-/", (31.8)

gdzie μ - liniowy współczynnik tłumienia. Może być reprezentowany jako składający się z trzech terminów odpowiadających spójnemu rozpraszaniu μ κ , niekoherentnemu μ ΗΚ i fotoefektowi μ F:

μ = μk + μhk + μf. (31,9)

Natężenie promieniowania rentgenowskiego jest tłumione proporcjonalnie do liczby atomów substancji, przez którą przepływa ten strumień. Jeśli skompresujemy materię wzdłuż osi x, na przykład w b razy zwiększając b razy jego gęstość, to

31.4. FIZYCZNE PODSTAWY ZASTOSOWANIA PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO W MEDYCYNIE

Jednym z najważniejszych medycznych zastosowań promieni rentgenowskich jest prześwietlanie narządów wewnętrznych w celach diagnostycznych. (diagnostyka rentgenowska).

Do diagnostyki wykorzystuje się fotony o energii około 60-120 keV. Przy tej energii masowy współczynnik ekstynkcji zależy głównie od efektu fotoelektrycznego. Jego wartość jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi energii fotonu (proporcjonalna do λ 3), która przejawia się dużą penetracją twardego promieniowania, oraz do trzeciej potęgi liczby atomowej substancji pochłaniającej:

Znacząca różnica w absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez różne tkanki pozwala zobaczyć obrazy narządów wewnętrznych ludzkiego ciała w projekcji cienia.

Diagnostyka rentgenowska stosowana jest w dwóch wersjach: fluoroskopia obraz oglądany jest na luminescencyjnym ekranie rentgenowskim, radiografia - obraz jest utrwalony na filmie.

Jeśli badany narząd i otaczające tkanki tłumią promieniowanie rentgenowskie w przybliżeniu jednakowo, stosuje się specjalne środki kontrastowe. Na przykład wypełniając żołądek i jelita papkowatą masą siarczanu baru, można zobaczyć ich cieniowy obraz.

Jasność obrazu na ekranie i czas naświetlania na kliszy zależą od natężenia promieni rentgenowskich. Jeśli jest używany do diagnozy, intensywność nie może być wysoka, aby nie powodować niepożądanych konsekwencji biologicznych. Dlatego istnieje szereg urządzeń technicznych, które poprawiają obraz przy niskich natężeniach promieniowania rentgenowskiego. Przykładem takiego urządzenia są wzmacniacze rurowe (patrz 27.8). W masowym badaniu populacji szeroko stosowany jest wariant radiografii - fluorografia, w której obraz z dużego ekranu luminescencyjnego rentgenowskiego jest rejestrowany na czułym filmie małoformatowym. Podczas fotografowania używany jest obiektyw o dużej aperturze, gotowe zdjęcia są badane na specjalnej lupie.

Ciekawą i obiecującą opcją dla radiografii jest metoda o nazwie tomografia rentgenowska, i jego "wersja maszynowa" - Tomografia komputerowa.

Zastanówmy się nad tym pytaniem.

Zwykłe zdjęcie rentgenowskie obejmuje duży obszar ciała, z różnymi narządami i tkankami zacieniającymi się nawzajem. Możesz tego uniknąć, jeśli okresowo przesuwasz lampę rentgenowską razem (ryc. 31.11) w przeciwfazie RT i film Fp w stosunku do obiektu O Badania. Ciało zawiera szereg inkluzji, które są nieprzezroczyste dla promieni rentgenowskich; na rysunku są one zaznaczone kółkami. Jak widać, prześwietlenia w dowolnej pozycji lampy rentgenowskiej (1, 2 itp.) przejść przez

cięcie tego samego punktu obiektu, który jest środkiem, względem którego wykonywany jest ruch okresowy RT oraz Fp. Ten punkt, a dokładniej mała nieprzezroczysta inkluzja, jest zaznaczony ciemnym kołem. Jego obraz cienia porusza się z fp, zajmując kolejno pozycje 1, 2 itp. Pozostałe wtrącenia w ciele (kości, pieczęcie itp.) tworzą się dalej Fp pewne ogólne tło, ponieważ promieniowanie rentgenowskie nie jest przez nie trwale przesłonięte. Zmieniając położenie środka wychylenia, można uzyskać obraz rentgenowski ciała warstwa po warstwie. Stąd nazwa - tomografia(nagrywanie warstwowe).

Możliwe jest przesiewanie za pomocą cienkiej wiązki promieniowania rentgenowskiego (zamiast Fp), składający się z półprzewodnikowych detektorów promieniowania jonizującego (patrz 32.5) i komputera do przetwarzania cieniowego obrazu rentgenowskiego w tomografii. Ta nowoczesna wersja tomografii (RTG tomografia komputerowa lub komputerowa) pozwala na uzyskanie warstwowych obrazów ciała na ekranie kineskopu lub na papierze ze szczegółami mniejszymi niż 2 mm z różnicą w absorpcji promieniowania rentgenowskiego do 0,1%. Pozwala to na przykład na odróżnienie istoty szarej od białej mózgu oraz dostrzeżenie bardzo małych formacji nowotworowych.

Promieniowanie rentgenowskie występuje, gdy elektrony poruszające się z dużą prędkością oddziałują z materią. Gdy elektrony zderzają się z atomami dowolnej substancji, szybko tracą swoją energię kinetyczną. W tym przypadku większość jest zamieniana na ciepło, a niewielka część, zwykle mniej niż 1%, zamieniana jest na energię rentgenowską. Energia ta jest uwalniana w postaci kwantów - cząstek zwanych fotonami, które mają energię, ale mają zerową masę spoczynkową. Fotony rentgenowskie różnią się energią, która jest odwrotnie proporcjonalna do ich długości fali. W konwencjonalnej metodzie uzyskiwania promieni rentgenowskich uzyskuje się szeroki zakres długości fal, który nazywa się widmem rentgenowskim. Widmo zawiera wyraźne składniki, jak pokazano na ryc. jeden.

Ryż. jeden. KONWENCJONALNE SPEKTRUM RTG składa się z widma ciągłego (continuum) i charakterystycznych linii (ostre piki). Linie Kia i Kib powstają w wyniku interakcji przyspieszonych elektronów z elektronami wewnętrznej powłoki K.

Szerokie „kontinuum” nazywa się widmem ciągłym lub białym promieniowaniem. Nałożone na nią ostre piki nazywane są charakterystycznymi liniami emisyjnymi promieniowania rentgenowskiego. Chociaż całe widmo jest wynikiem zderzeń elektronów z materią, mechanizmy pojawiania się jego szerokiej części i linii są różne. Substancja składa się z dużej liczby atomów, z których każdy ma jądro otoczone powłokami elektronowymi, a każdy elektron w powłoce atomu danego pierwiastka zajmuje pewien dyskretny poziom energii. Zwykle te powłoki lub poziomy energetyczne są oznaczane symbolami K, L, M itd., zaczynając od powłoki znajdującej się najbliżej jądra. Kiedy padający elektron o wystarczająco dużej energii zderza się z jednym z elektronów związanych z atomem, wybija ten elektron z powłoki. Pustą przestrzeń zajmuje inny elektron z powłoki, co odpowiada wyższej energii. Ten ostatni oddaje nadmiar energii, emitując foton rentgenowski. Ponieważ elektrony powłoki mają dyskretne wartości energii, powstałe fotony rentgenowskie również mają dyskretne widmo. Odpowiada to ostrym pikom dla pewnych długości fal, których konkretne wartości zależą od elementu docelowego. Charakterystyczne linie tworzą serie K-, L- i M-w zależności od tego, z której powłoki (K, L lub M) usunięto elektron. Zależność między długością fali promieniowania rentgenowskiego a liczbą atomową nazywa się prawem Moseleya (ryc. 2).

Ryż. 2. Długość fali CHARAKTERYSTYCZNEGO PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO emitowanego przez pierwiastki chemiczne zależy od liczby atomowej pierwiastka. Krzywa odpowiada prawu Moseleya: im większa liczba atomowa pierwiastka, tym krótsza długość fali charakterystycznej linii.

Jeśli elektron zderza się ze stosunkowo ciężkim jądrem, to zwalnia, a jego energia kinetyczna jest uwalniana w postaci fotonu rentgenowskiego o mniej więcej takiej samej energii. Jeśli przeleci obok jądra, straci tylko część swojej energii, a reszta zostanie przekazana innym atomom, które padną na jego drodze. Każdy akt utraty energii prowadzi do emisji fotonu o pewnej energii. Pojawia się ciągłe widmo rentgenowskie, którego górna granica odpowiada energii najszybszego elektronu. Jest to mechanizm powstawania widma ciągłego, a maksymalna energia (lub minimalna długość fali), która wyznacza granicę widma ciągłego, jest proporcjonalna do napięcia przyspieszającego, które określa prędkość padających elektronów. Linie spektralne charakteryzują materiał bombardowanego celu, natomiast widmo ciągłe zależy od energii wiązki elektronów i praktycznie nie zależy od materiału celu.

Promienie rentgenowskie można uzyskać nie tylko przez bombardowanie elektronami, ale także naświetlając cel promieniami rentgenowskimi z innego źródła. W tym przypadku jednak większość energii wiązki padającej trafia do charakterystycznego widma rentgenowskiego, a bardzo mała część przypada na widmo ciągłe. Oczywiście padająca wiązka promieniowania rentgenowskiego musi zawierać fotony, których energia jest wystarczająca do wzbudzenia charakterystycznych linii bombardowanego elementu. Wysoki procent energii przypadający na widmo charakterystyczne sprawia, że ​​ta metoda wzbudzania promieniami rentgenowskimi jest wygodna do badań naukowych.

Lampy rentgenowskie. Aby uzyskać promieniowanie rentgenowskie w wyniku oddziaływania elektronów z materią, konieczne jest posiadanie źródła elektronów, środków do przyspieszania ich do dużych prędkości oraz tarczy zdolnej wytrzymać bombardowanie elektronami i wytworzyć promieniowanie rentgenowskie o pożądaną intensywność. Urządzenie, które ma to wszystko, nazywa się lampą rentgenowską. Wcześni odkrywcy używali lamp „głębokiej próżni”, takich jak dzisiejsze lampy wyładowcze. Próżnia w nich nie była zbyt duża.

Rurki wyładowcze zawierają niewielką ilość gazu, a gdy do elektrod rury przyłożona jest duża różnica potencjałów, atomy gazu zamieniają się w jony dodatnie i ujemne. Dodatnie poruszają się w kierunku elektrody ujemnej (katody) i padając na nią wybijają z niej elektrony, a te z kolei zbliżają się do elektrody dodatniej (anody) i bombardując ją, tworzą strumień fotonów rentgenowskich .

We współczesnej lampie rentgenowskiej opracowanej przez Coolidge'a (rys. 3) źródłem elektronów jest podgrzana do wysokiej temperatury katoda wolframowa. Elektrony są przyspieszane do dużych prędkości dzięki dużej różnicy potencjałów między anodą (lub antykatodą) a katodą. Ponieważ elektrony muszą dotrzeć do anody bez zderzenia z atomami, wymagana jest bardzo wysoka próżnia, dla której rura musi być dobrze opróżniona. Zmniejsza to również prawdopodobieństwo jonizacji pozostałych atomów gazu i związanych z nimi prądów bocznych.

Ryż. 3. RURKA RTG COOLIDGE. Bombardowana elektronami antykatoda wolframowa emituje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Przekrój wiązki promieniowania rentgenowskiego jest mniejszy niż rzeczywisty obszar napromieniowany. 1 - wiązka elektronów; 2 - katoda z elektrodą skupiającą; 3 - szklana powłoka (rurka); 4 - cel wolframowy (antykatoda); 5 - żarnik katodowy; 6 - faktycznie napromieniowany obszar; 7 - skuteczne ognisko; 8 - anoda miedziana; 9 - okno; 10 - rozproszone promienie rentgenowskie.

Elektrony są skupiane na anodzie przez specjalnie ukształtowaną elektrodę otaczającą katodę. Elektroda ta nazywana jest elektrodą ogniskującą i wraz z katodą tworzy „elektroniczny reflektor” lampy. Anoda poddawana bombardowaniu elektronami musi być wykonana z materiału ogniotrwałego, ponieważ większość energii kinetycznej bombardujących elektronów jest zamieniana na ciepło. Ponadto pożądane jest, aby anoda była wykonana z materiału o dużej liczbie atomowej, ponieważ wydajność promieniowania rentgenowskiego wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej. Najczęściej wybieranym materiałem anodowym jest wolfram, którego liczba atomowa wynosi 74.

Konstrukcja lamp rentgenowskich może się różnić w zależności od zastosowania i wymagań.

Promienie rentgenowskie odgrywają jedną z najważniejszych ról w badaniu i praktycznym wykorzystaniu zjawisk atomowych. Dzięki ich badaniom dokonano wielu odkryć i opracowano metody analizy substancji, które znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach. Tutaj rozważymy jeden z rodzajów promieni rentgenowskich - charakterystyczne promienie rentgenowskie.

Natura i właściwości promieni rentgenowskich

Promieniowanie rentgenowskie to zmiana stanu pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości rozchodzącego się w przestrzeni z prędkością około 300 000 km / s, czyli fal elektromagnetycznych. W skali zasięgu promieniowania elektromagnetycznego promienie rentgenowskie znajdują się w zakresie długości fal od około 10-8 do 5∙10-12 metrów, czyli o kilka rzędów wielkości krócej niż fale optyczne. Odpowiada to częstotliwościom od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz i energii od 10 eV do 250 keV, czyli od 1,6∙10 -18 do 4∙10 -14 J. Należy zauważyć, że granice zakresów częstotliwości promieniowanie elektromagnetyczne jest raczej konwencjonalne ze względu na ich nakładanie się.

Jest oddziaływaniem przyspieszonych cząstek naładowanych (wysokoenergetycznych elektronów) z polami elektrycznymi i magnetycznymi oraz z atomami materii.

Fotony rentgenowskie charakteryzują się wysokimi energiami oraz dużą mocą penetracji i jonizacji, szczególnie w przypadku twardych promieni rentgenowskich o długości fali poniżej 1 nanometra (10 -9 m).

Promienie X oddziałują z materią, jonizując jej atomy, w procesach efektu fotoelektrycznego (fotoabsorpcja) i rozpraszania niekoherentnego (Compton). W fotoabsorpcji foton promieniowania rentgenowskiego, pochłonięty przez elektron atomu, przekazuje mu energię. Jeśli jego wartość przekracza energię wiązania elektronu w atomie, to opuszcza atom. Rozpraszanie Comptona jest charakterystyczne dla twardszych (energetycznych) fotonów promieniowania rentgenowskiego. Część energii pochłoniętego fotonu jest zużywana na jonizację; w tym przypadku pod pewnym kątem do kierunku fotonu pierwotnego emitowany jest foton wtórny o niższej częstotliwości.

Rodzaje promieniowania rentgenowskiego. Bremsstrahlung

Aby uzyskać promienie, stosuje się szklane butelki próżniowe z umieszczonymi wewnątrz elektrodami. Różnica potencjałów między elektrodami musi być bardzo duża — do setek kilowoltów. Na katodzie wolframowej nagrzanej prądem następuje emisja termojonowa, to znaczy emitowane są z niej elektrony, które przyśpieszone różnicą potencjałów bombardują anodę. W wyniku ich interakcji z atomami anody (czasami nazywanej anodą) powstają fotony rentgenowskie.

W zależności od tego, jaki proces prowadzi do narodzin fotonu, istnieją takie rodzaje promieniowania rentgenowskiego jak bremsstrahlung i charakterystyczne.

Elektrony, spotykając się z anodą, mogą zwolnić, to znaczy tracić energię w polach elektrycznych swoich atomów. Energia ta jest emitowana w postaci fotonów promieniowania rentgenowskiego. Takie promieniowanie nazywa się bremsstrahlung.

Oczywiste jest, że warunki hamowania będą różne dla poszczególnych elektronów. Oznacza to, że różne ilości ich energii kinetycznej są zamieniane na promieniowanie rentgenowskie. W rezultacie bremsstrahlung zawiera fotony o różnych częstotliwościach i odpowiednio długościach fal. Dlatego jego widmo jest ciągłe (ciągłe). Czasami z tego powodu jest również nazywany „białym” promieniowaniem rentgenowskim.

Energia fotonu bremsstrahlung nie może przekroczyć energii kinetycznej elektronu, który go generuje, tak że maksymalna częstotliwość (i najmniejsza długość fali) bremsstrahlung odpowiada największej wartości energii kinetycznej elektronów padających na anodę. Ta ostatnia zależy od różnicy potencjałów przyłożonej do elektrod.

Istnieje inny rodzaj prześwietlenia, który pochodzi z innego procesu. To promieniowanie nazywa się charakterystycznym i zajmiemy się nim bardziej szczegółowo.

Jak powstają charakterystyczne promienie rentgenowskie

Po dotarciu do antykatody szybki elektron może wniknąć do wnętrza atomu i wybić dowolny elektron z jednego z niższych orbitali, czyli przekazać mu energię wystarczającą do pokonania bariery potencjału. Jeśli jednak w atomie są wyższe poziomy energii zajmowane przez elektrony, opuszczone miejsce nie pozostanie puste.

Należy pamiętać, że struktura elektronowa atomu, jak każdy system energetyczny, dąży do minimalizacji energii. Wakat powstały w wyniku nokautu jest wypełniany elektronem z jednego z wyższych poziomów. Jego energia jest wyższa i zajmując niższy poziom promieniuje nadwyżką w postaci kwantu charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego.

Struktura elektronowa atomu to dyskretny zbiór możliwych stanów energetycznych elektronów. Dlatego fotony rentgenowskie emitowane podczas zastępowania wakatów elektronowych mogą mieć tylko ściśle określone wartości energii, odzwierciedlające różnicę poziomów. W rezultacie charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo nie ciągłe, lecz liniowe. Takie widmo pozwala scharakteryzować substancję anody - stąd nazwa tych promieni. Właśnie ze względu na różnice spektralne jasne jest, co należy rozumieć przez bremsstrahlung i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.

Czasami nadmiar energii nie jest emitowany przez atom, ale jest zużywany na wybicie trzeciego elektronu. Ten proces – tak zwany efekt Augera – jest bardziej prawdopodobny, gdy energia wiązania elektronów nie przekracza 1 keV. Energia uwolnionego elektronu Augera zależy od struktury poziomów energetycznych atomu, więc widma takich elektronów są również dyskretne.

Ogólny widok charakterystycznego widma

W widmie rentgenowskim występują wąskie charakterystyczne linie wraz z ciągłym widmem bremsstrahlung. Jeśli przedstawimy widmo jako wykres intensywności w funkcji długości fali (częstotliwości), zobaczymy ostre piki w miejscach linii. Ich pozycja zależy od materiału anody. Te maksima są obecne przy każdej różnicy potencjałów - jeśli są promienie rentgenowskie, zawsze są też piki. Wraz ze wzrostem napięcia na elektrodach lampy zwiększa się natężenie zarówno ciągłego, jak i charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, ale nie zmienia się położenie pików i stosunek ich natężeń.

Piki w widmach rentgenowskich mają ten sam kształt niezależnie od materiału antykatody napromieniowanej elektronami, ale dla różnych materiałów znajdują się one na różnych częstotliwościach, łącząc się w szeregi zgodnie z bliskością wartości częstotliwości. Pomiędzy samymi seriami różnica częstotliwości jest znacznie bardziej znacząca. Kształt maksimów nie zależy w żaden sposób od tego, czy materiał anodowy reprezentuje czysty pierwiastek chemiczny, czy jest to złożona substancja. W tym drugim przypadku charakterystyczne widma rentgenowskie jego elementów składowych po prostu nakładają się na siebie.

Wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka chemicznego wszystkie linie jego widma rentgenowskiego przesuwają się w kierunku rosnącej częstotliwości. Widmo zachowuje swoją formę.

Prawo Moseleya

Zjawisko przesunięcia spektralnego linii charakterystycznych zostało eksperymentalnie odkryte przez angielskiego fizyka Henry'ego Moseleya w 1913 roku. To pozwoliło mu powiązać częstotliwości maksimów widma z liczbami porządkowymi pierwiastków chemicznych. Zatem długość fali charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, jak się okazało, może być wyraźnie skorelowana z danym pierwiastkiem. Ogólnie rzecz biorąc, prawo Moseleya można zapisać w następujący sposób: √f = (Z - S n)/n√R, gdzie f jest częstotliwością, Z jest liczbą porządkową elementu, S n jest stałą ekranowania, n jest głównym liczba kwantowa, a R jest stałą Rydberga. Ta zależność jest liniowa i pojawia się na diagramie Moseleya jako seria linii prostych dla każdej wartości n.

Wartości n odpowiadają poszczególnym szeregom charakterystycznych pików rentgenowskich. Prawo Moseleya pozwala na wyznaczenie numeru seryjnego pierwiastka chemicznego napromieniowanego twardymi elektronami z mierzonych długości fal (są one jednoznacznie powiązane z częstotliwościami) maksimów widma rentgenowskiego.

Struktura powłok elektronowych pierwiastków chemicznych jest identyczna. Wskazuje na to monotoniczność zmiany przesunięcia w charakterystycznym widmie promieni rentgenowskich. Przesunięcie częstotliwości odzwierciedla nie strukturalne, ale różnice energetyczne między powłokami elektronowymi, unikalne dla każdego pierwiastka.

Rola prawa Moseleya w fizyce atomowej

Istnieją niewielkie odchylenia od ściśle liniowej zależności wyrażonej przez prawo Moseleya. Są one związane, po pierwsze, z właściwościami porządku wypełnienia powłok elektronowych w niektórych pierwiastkach, a po drugie, z relatywistycznymi skutkami ruchu elektronów w ciężkich atomach. Ponadto, gdy zmienia się liczba neutronów w jądrze (tzw. przesunięcie izotopowe), położenie linii może się nieznacznie zmienić. Efekt ten umożliwił szczegółowe zbadanie budowy atomu.

Znaczenie prawa Moseleya jest niezwykle duże. Jego konsekwentne zastosowanie do elementów układu okresowego Mendelejewa ustanowiło wzorzec zwiększania numeru seryjnego zgodnie z każdym małym przesunięciem charakterystycznych maksimów. Przyczyniło się to do wyjaśnienia kwestii fizycznego znaczenia liczby porządkowej elementów. Wartość Z to nie tylko liczba: to dodatni ładunek elektryczny jądra, który jest sumą jednostkowych ładunków dodatnich cząstek, które go tworzą. Prawidłowe rozmieszczenie elementów w tabeli i obecność w niej pustych pozycji (wtedy jeszcze istniały) uzyskało mocne potwierdzenie. Udowodniono ważność prawa okresowego.

Ponadto prawo Moseleya stało się podstawą, na której powstał cały obszar badań eksperymentalnych - spektrometria rentgenowska.

Struktura powłok elektronowych atomu

Przypomnijmy pokrótce, jak ułożony jest elektron, który składa się z powłok, oznaczonych literami K, L, M, N, O, P, Q lub liczbami od 1 do 7. Elektrony wewnątrz powłoki charakteryzują się tym samym głównym liczba kwantowa n, która określa możliwe wartości energii. W powłokach zewnętrznych energia elektronów jest wyższa, a potencjał jonizacji elektronów zewnętrznych jest odpowiednio niższy.

Powłoka zawiera jeden lub więcej podpoziomów: s, p, d, f, g, h, i. W każdej powłoce liczba podpoziomów wzrasta o jeden w porównaniu do poprzedniego. Liczba elektronów na każdym podpoziomie iw każdej powłoce nie może przekroczyć pewnej wartości. Charakteryzują się, oprócz głównej liczby kwantowej, tą samą wartością orbitalnej chmury elektronowej, która określa kształt. Podpoziomy są oznaczone powłoką, do której należą, na przykład 2s, 4d i tak dalej.

Podpoziom zawiera, które oprócz głównego i orbitalnego wyznacza jeszcze jedna liczba kwantowa - magnetyczna, która określa rzut orbitalnego pędu elektronu na kierunek pola magnetycznego. Jeden orbital może mieć nie więcej niż dwa elektrony, różniące się wartością czwartej liczby kwantowej - spinu.

Rozważmy bardziej szczegółowo, jak powstaje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Ponieważ pochodzenie tego typu emisji elektromagnetycznej związane jest ze zjawiskami zachodzącymi wewnątrz atomu, najwygodniej jest opisać je dokładnie w przybliżeniu w konfiguracjach elektronowych.

Mechanizm generowania charakterystycznych promieni rentgenowskich

Tak więc przyczyną tego promieniowania jest powstawanie wakatów elektronowych w wewnętrznych powłokach, z powodu wnikania wysokoenergetycznych elektronów w głąb atomu. Prawdopodobieństwo interakcji twardego elektronu wzrasta wraz z gęstością chmur elektronowych. Dlatego zderzenia najprawdopodobniej występują w gęsto upakowanych powłokach wewnętrznych, takich jak najniższa powłoka K. Tutaj atom jest zjonizowany, aw powłoce 1s powstaje wakat.

Wakat ten jest wypełniany przez elektron z powłoki o wyższej energii, którego nadmiar jest unoszony przez foton rentgenowski. Elektron ten może „spaść” z drugiej powłoki L, z trzeciej powłoki M i tak dalej. W ten sposób powstaje charakterystyczna seria, w tym przykładzie seria K. Wskazanie, skąd pochodzi elektron wypełniający wakat, podawane jest w postaci greckiego indeksu przy wyznaczaniu szeregu. „Alfa” oznacza, że ​​pochodzi z powłoki L, „beta” – z powłoki M. Obecnie istnieje tendencja do zastępowania indeksów liter greckich łacińskimi, przyjętymi do oznaczania muszli.

Natężenie linii alfa w serii jest zawsze największe, co oznacza, że ​​prawdopodobieństwo wypełnienia wakatu z sąsiedniej powłoki jest największe.

Teraz możemy odpowiedzieć na pytanie, jaka jest maksymalna energia charakterystycznego kwantu rentgenowskiego. Jest to określone przez różnicę wartości energii poziomów, między którymi zachodzi przejście elektronowe, zgodnie ze wzorem E \u003d E n 2 - E n 1, gdzie E n 2 i E n 1 są energiami stany elektroniczne, między którymi nastąpiło przejście. Najwyższą wartość tego parametru dają przejścia serii K z najwyższych możliwych poziomów atomów pierwiastków ciężkich. Ale intensywność tych linii (wysokości szczytów) jest najmniejsza, ponieważ są najmniej prawdopodobne.

Jeśli z powodu niewystarczającego napięcia na elektrodach twardy elektron nie może osiągnąć poziomu K, tworzy wakat na poziomie L i powstaje mniej energetyczna seria L o dłuższych długościach fal. Kolejne serie rodzą się w podobny sposób.

Ponadto, gdy wakat jest obsadzany, w wyniku przejścia elektronicznego w powłoce nadrzędnej pojawia się nowy wakat. Stwarza to warunki do wygenerowania kolejnej serii. Wakanty elektroniczne przesuwają się coraz wyżej z poziomu na poziom, a atom emituje kaskadę charakterystycznych serii widmowych, pozostając zjonizowanym.

Delikatna struktura charakterystycznych widm

Atomowe widma rentgenowskie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego charakteryzują się drobną strukturą, która wyraża się, podobnie jak w widmach optycznych, w postaci podziału linii.

Drobna struktura wynika z faktu, że poziom energetyczny - powłoka elektronowa - jest zbiorem blisko rozmieszczonych elementów - podpowłok. Aby scharakteryzować podpowłoki, wprowadzono jeszcze jedną wewnętrzną liczbę kwantową j, która odzwierciedla oddziaływanie własnego i orbitalnego momentu magnetycznego elektronu.

W związku z wpływem oddziaływania spin-orbita struktura energetyczna atomu komplikuje się, w wyniku czego charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma widmo charakteryzujące się rozszczepionymi liniami z bardzo blisko rozmieszczonymi pierwiastkami.

Elementy drobnej struktury są zwykle oznaczane dodatkowymi indeksami cyfrowymi.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ma cechę, która odbija się tylko w drobnej strukturze widma. Przejście elektronu na najniższy poziom energetyczny nie następuje z dolnej podpowłoki poziomu nadrzędnego. Takie zdarzenie ma znikome prawdopodobieństwo.

Wykorzystanie promieni rentgenowskich w spektrometrii

Promieniowanie to, ze względu na swoje cechy opisane przez prawo Moseleya, jest podstawą różnych rentgenowskich metod spektralnych do analizy substancji. Przy analizie widma rentgenowskiego wykorzystuje się albo dyfrakcję promieniowania na kryształach (metoda dyspersyjna) albo detektory wrażliwe na energię pochłoniętych fotonów rentgenowskich (metoda dyspersyjna). Większość mikroskopów elektronowych jest wyposażona w jakąś formę przystawki do spektrometrii rentgenowskiej.

Spektrometria dyspersyjna fali charakteryzuje się szczególnie wysoką dokładnością. Za pomocą specjalnych filtrów wybierane są najintensywniejsze piki w widmie, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie promieniowania niemal monochromatycznego o dokładnie znanej częstotliwości. Materiał anodowy dobierany jest bardzo starannie, aby zapewnić uzyskanie monochromatycznej wiązki o pożądanej częstotliwości. Jej dyfrakcja na sieci krystalicznej badanej substancji pozwala z dużą dokładnością badać strukturę sieci. Ta metoda jest również stosowana w badaniu DNA i innych złożonych cząsteczek.

Jedna z cech charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego jest również brana pod uwagę w spektrometrii gamma. Jest to wysoka intensywność charakterystycznych pików. Spektrometry gamma wykorzystują ekranowanie ołowiowe przed zewnętrznym promieniowaniem tła, które zakłóca pomiary. Ale ołów, pochłaniając kwanty gamma, ulega wewnętrznej jonizacji, w wyniku czego aktywnie emituje w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Dodatkowe ekranowanie kadmu służy do pochłaniania intensywnych pików charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego z ołowiu. To z kolei jest zjonizowane, a także emituje promieniowanie rentgenowskie. Aby zneutralizować charakterystyczne piki kadmu, stosuje się trzecią warstwę ekranującą - miedź, której maksima rentgenowskie leżą poza zakresem częstotliwości pracy spektrometru gamma.

Spektrometria wykorzystuje zarówno promieniowanie bremsstrahlung, jak i charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Tak więc w analizie substancji badane są widma absorpcji ciągłego promieniowania rentgenowskiego przez różne substancje.

Współczesna medycyna wykorzystuje wielu lekarzy do diagnozy i terapii. Niektóre z nich stosowane są stosunkowo niedawno, inne są praktykowane od kilkunastu, a nawet setek lat. Również sto dziesięć lat temu William Conrad Roentgen odkrył niesamowite promienie rentgenowskie, które wywołały znaczący rezonans w świecie naukowym i medycznym. A teraz lekarze na całym świecie stosują je w swojej praktyce. Tematem naszej dzisiejszej rozmowy będą zdjęcia rentgenowskie w medycynie, nieco bardziej szczegółowo omówimy ich zastosowanie.

Promieniowanie rentgenowskie to jedna z odmian promieniowania elektromagnetycznego. Charakteryzują się znacznymi właściwościami penetracyjnymi, które zależą od długości fali promieniowania oraz gęstości i grubości naświetlanych materiałów. Ponadto promieniowanie rentgenowskie może powodować świecenie wielu substancji, wpływać na żywe organizmy, jonizować atomy, a także katalizować niektóre reakcje fotochemiczne.

Zastosowanie promieni rentgenowskich w medycynie

Do tej pory właściwości promieni rentgenowskich pozwalają na ich szerokie zastosowanie w diagnostyce rentgenowskiej i terapii rentgenowskiej.

Diagnostyka rentgenowska

Diagnostyka rentgenowska jest wykorzystywana przy wykonywaniu:

promieniowanie rentgenowskie (transmisja);
- radiografia (zdjęcie);
- fluorografia;
- RTG i tomografia komputerowa.

Fluoroskopia

Aby przeprowadzić takie badanie, pacjent musi ustawić się między lampą rentgenowską a specjalnym ekranem fluorescencyjnym. Specjalista radiolog dobiera wymaganą twardość RTG, otrzymując na ekranie obraz narządów wewnętrznych, a także żeber.

Radiografia

Do tego badania pacjent jest umieszczany na kasecie zawierającej specjalny film. Aparat rentgenowski jest umieszczony bezpośrednio nad obiektem. W efekcie na kliszy pojawia się negatywowy obraz narządów wewnętrznych, który zawiera szereg drobnych szczegółów, bardziej szczegółowych niż podczas badania fluoroskopowego.

Fluorografia

Badanie to jest przeprowadzane podczas masowych badań lekarskich populacji, w tym w celu wykrycia gruźlicy. W tym samym czasie obraz z dużego ekranu wyświetlany jest na specjalnym filmie.

Tomografia

Podczas prowadzenia tomografii wiązki komputerowe pomagają uzyskać obrazy narządów w kilku miejscach jednocześnie: w specjalnie dobranych przekrojach poprzecznych tkanki. Ta seria zdjęć rentgenowskich nazywana jest tomogramem.

Tomogram komputerowy

Takie badanie pozwala zarejestrować fragmenty ludzkiego ciała za pomocą skanera rentgenowskiego. Po wprowadzeniu danych do komputera otrzymujemy jeden obraz w przekroju.

Każda z wymienionych metod diagnostycznych opiera się na właściwościach wiązki promieniowania rentgenowskiego do oświetlania filmu, a także na fakcie, że tkanki ludzkie i szkielet kostny różnią się różną przepuszczalnością ich działania.

Terapia rentgenowska

Zdolność promieni rentgenowskich do wpływania na tkanki w szczególny sposób jest wykorzystywana w leczeniu formacji nowotworowych. Jednocześnie właściwości jonizujące tego promieniowania są szczególnie aktywnie zauważalne w kontakcie z komórkami zdolnymi do szybkiego podziału. To właśnie te cechy wyróżniają komórki złośliwych formacji onkologicznych.

Warto jednak zauważyć, że terapia promieniami X może powodować wiele poważnych skutków ubocznych. Takie oddziaływanie agresywnie wpływa na stan układu krwiotwórczego, hormonalnego i odpornościowego, których komórki również bardzo szybko się dzielą. Agresywny wpływ na nie może powodować objawy choroby popromiennej.

Wpływ promieniowania rentgenowskiego na ludzi

Podczas badania promieni rentgenowskich lekarze stwierdzili, że mogą one prowadzić do zmian skórnych przypominających oparzenia słoneczne, ale towarzyszą im głębsze uszkodzenia skóry. Takie wrzody goją się bardzo długo. Naukowcy odkryli, że takich zmian można uniknąć, skracając czas i dawkę promieniowania, a także stosując specjalne metody ekranowania i zdalnego sterowania.

Agresywne oddziaływanie promieni rentgenowskich może objawiać się również w dłuższej perspektywie: przejściowymi lub trwałymi zmianami w składzie krwi, podatnością na białaczkę i wczesnym starzeniem się.

Wpływ promieniowania rentgenowskiego na człowieka zależy od wielu czynników: od tego, który narząd jest naświetlany i jak długo. Napromienianie narządów krwiotwórczych może prowadzić do dolegliwości związanych z krwią, a narażenie na narządy płciowe może prowadzić do bezpłodności.

Przeprowadzanie systematycznego napromieniania jest obarczone rozwojem zmian genetycznych w ciele.

Prawdziwa szkoda promieniowania rentgenowskiego w diagnostyce rentgenowskiej

Podczas badania lekarze stosują minimalną możliwą ilość prześwietleń. Wszystkie dawki promieniowania spełniają określone dopuszczalne normy i nie mogą zaszkodzić człowiekowi. Diagnostyka rentgenowska stanowi poważne zagrożenie tylko dla przeprowadzających ją lekarzy. A wtedy nowoczesne metody ochrony pomagają zredukować agresję promieni do minimum.

Najbezpieczniejsze metody radiodiagnostyki to radiografia kończyn, a także prześwietlenie zębów. Na kolejnym miejscu tej oceny jest mammografia, następnie tomografia komputerowa, a po niej radiografia.

Aby wykorzystanie promieni rentgenowskich w medycynie przyniosło tylko korzyść osobie, konieczne jest prowadzenie badań z ich pomocą tylko zgodnie ze wskazaniami.

W 1895 r. niemiecki fizyk Roentgen, przeprowadzając eksperymenty z przepływem prądu między dwiema elektrodami w próżni, odkrył, że ekran pokryty substancją luminescencyjną (sól baru) świeci, chociaż rura wyładowcza jest zamknięta czarnym kartonowym ekranem - w ten sposób odkryto promieniowanie, które przenika przez nieprzezroczyste bariery, zwane promieniami rentgenowskimi. Stwierdzono, że promienie X, niewidoczne dla człowieka, są pochłaniane w nieprzezroczystych obiektach im silniejsze, im większa jest liczba atomowa (gęstość) bariery, dzięki czemu promienie X łatwo przechodzą przez tkanki miękkie ludzkiego ciała, ale są zatrzymywane przez kości szkieletu. Zaprojektowano źródła silnych promieni rentgenowskich, które umożliwiły prześwitywanie części metalowych i znajdowanie w nich wad wewnętrznych.

Niemiecki fizyk Laue zasugerował, że promienie rentgenowskie są tym samym promieniowaniem elektromagnetycznym, co widzialne promienie świetlne, ale mają krótszą długość fali i wszystkie prawa optyki mają do nich zastosowanie, w tym możliwa jest dyfrakcja. W optyce światła widzialnego dyfrakcję na poziomie elementarnym można przedstawić jako odbicie światła od układu rowków - siatki dyfrakcyjnej, występującej tylko pod pewnymi kątami, natomiast kąt odbicia promieni jest powiązany z kątem padania, odległość między rowkami siatki dyfrakcyjnej a długością fali padającego promieniowania. W przypadku dyfrakcji konieczne jest, aby odległość między pociągnięciami była w przybliżeniu równa długości fali padającego światła.

Laue zasugerował, że promienie rentgenowskie mają długość fali zbliżoną do odległości między poszczególnymi atomami w kryształach, tj. atomy w krysztale tworzą siatkę dyfrakcyjną dla promieni rentgenowskich. Promienie rentgenowskie skierowane na powierzchnię kryształu odbijały się od płyty fotograficznej, zgodnie z przewidywaniami teorii.

Wszelkie zmiany położenia atomów wpływają na obraz dyfrakcyjny, a badając dyfrakcję promieni rentgenowskich, można poznać układ atomów w krysztale i zmianę tego układu pod każdym fizycznym, chemicznym i mechanicznym wpływem na kryształ .

Obecnie analiza rentgenowska jest wykorzystywana w wielu dziedzinach nauki i techniki, z jej pomocą poznali rozmieszczenie atomów w istniejących materiałach i stworzyli nowe materiały o określonej strukturze i właściwościach. Ostatnie postępy w tej dziedzinie (nanomateriały, metale amorficzne, materiały kompozytowe) tworzą pole działania dla następnych pokoleń naukowców.

Występowanie i właściwości promieni rentgenowskich

Źródłem promieni rentgenowskich jest lampa rentgenowska, która ma dwie elektrody – katodę i anodę. Gdy katoda jest podgrzewana, następuje emisja elektronów, elektrony emitowane z katody są przyspieszane przez pole elektryczne i uderzają w powierzchnię anody. Lampa rentgenowska różni się od konwencjonalnej lampy radiowej (diody) głównie wyższym napięciem przyspieszającym (ponad 1 kV).

Kiedy elektron wylatuje z katody, pole elektryczne sprawia, że ​​leci w kierunku anody, podczas gdy jego prędkość stale rośnie, elektron przenosi pole magnetyczne, którego intensywność wzrasta wraz z prędkością elektronu. Docierając do powierzchni anody, elektron zostaje gwałtownie wyhamowany i powstaje impuls elektromagnetyczny o długości fali w pewnym zakresie (bremsstrahlung). Rozkład natężenia promieniowania na długości fal zależy od materiału anody lampy rentgenowskiej i przyłożonego napięcia, natomiast po stronie fal krótkich krzywa ta zaczyna się od pewnej progowej minimalnej długości fali, która zależy od przyłożonego napięcia. Zbiór promieni o wszystkich możliwych długościach fal tworzy widmo ciągłe, a długość fali odpowiadająca maksymalnemu natężeniu jest 1,5 razy większa od długości fali minimalnej.

Wraz ze wzrostem napięcia widmo promieniowania rentgenowskiego zmienia się dramatycznie z powodu interakcji atomów z elektronami o wysokiej energii i kwantami pierwotnych promieni rentgenowskich. Atom zawiera wewnętrzne powłoki elektronowe (poziomy energetyczne), których liczba zależy od liczby atomowej (oznaczonej literami K, L, M itd.) Elektrony i pierwotne promienie rentgenowskie wybijają elektrony z jednego poziomu energetycznego na drugi . Powstaje stan metastabilny, a do przejścia do stanu stabilnego konieczny jest przeskok elektronów w przeciwnym kierunku. Skokowi temu towarzyszy uwolnienie kwantu energii i pojawienie się promieni rentgenowskich. W przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego o widmie ciągłym, promieniowanie to ma bardzo wąski zakres długości fal i dużą intensywność (promieniowanie charakterystyczne) ( cm. Ryż.). Liczba atomów determinujących natężenie promieniowania charakterystycznego jest bardzo duża, na przykład dla lampy rentgenowskiej z miedzianą anodą przy napięciu 1 kV prąd 15 mA, 10 14–10 15 atomów daje promieniowanie charakterystyczne przez 1 sekundę. Wartość ta jest obliczana jako stosunek całkowitej mocy promieniowania rentgenowskiego do energii kwantu promieniowania rentgenowskiego z powłoki K (seria K promieniowania rentgenowskiego charakterystycznego). Całkowita moc promieniowania rentgenowskiego w tym przypadku wynosi tylko 0,1% zużytej mocy, reszta jest tracona, głównie z powodu przejścia na ciepło.

Ze względu na duże natężenie i wąski zakres długości fal, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie jest głównym rodzajem promieniowania stosowanym w badaniach naukowych i kontroli procesów. Równolegle z wiązkami serii K generowane są wiązki serii L i M, które mają znacznie dłuższe fale, ale ich zastosowanie jest ograniczone. Seria K składa się z dwóch składników o zbliżonych długościach fal aib, podczas gdy intensywność składnika b jest 5 razy mniejsza niż a. Z kolei składnik a charakteryzuje się dwiema bardzo zbliżonymi długościami fal, z których intensywność jednej jest 2 razy większa od drugiej. Aby uzyskać promieniowanie o pojedynczej długości fali (promieniowanie monochromatyczne), opracowano specjalne metody, które wykorzystują zależność absorpcji i dyfrakcji promieni rentgenowskich od długości fali. Wzrost liczby atomowej pierwiastka wiąże się ze zmianą właściwości powłok elektronowych, a im większa liczba atomowa materiału anody lampy rentgenowskiej, tym krótsza długość fali serii K. Najczęściej stosowane lampy z anodami z pierwiastków o liczbie atomowej od 24 do 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) i długościach fali od 2,29 do 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Oprócz lampy rentgenowskiej źródłem promieniowania rentgenowskiego mogą być izotopy radioaktywne, niektóre mogą bezpośrednio emitować promieniowanie rentgenowskie, inne emitują elektrony i cząstki a, które generują promieniowanie rentgenowskie podczas bombardowania celów metalowych. Natężenie promieniowania rentgenowskiego źródeł promieniotwórczych jest zwykle znacznie mniejsze niż lampy rentgenowskiej (z wyjątkiem radioaktywnego kobaltu, który jest używany w defektoskopii i daje promieniowanie o bardzo małej długości fali - promieniowanie g), są one małe rozmiary i nie wymagają prądu. Promieniowanie synchrotronowe wytwarzane jest w akceleratorach elektronów, długość fali tego promieniowania jest znacznie większa niż uzyskiwana w lampach rentgenowskich (miękkie promieniowanie rentgenowskie), jego natężenie jest o kilka rzędów wielkości wyższe niż natężenie lamp rentgenowskich. Istnieją również naturalne źródła promieni rentgenowskich. Zanieczyszczenia radioaktywne zostały znalezione w wielu minerałach, a promienie rentgenowskie z obiektów kosmicznych, w tym gwiazd, zostały zarejestrowane.

Oddziaływanie promieni rentgenowskich z kryształami

W badaniach rentgenowskich materiałów o strukturze krystalicznej analizowane są wzory interferencyjne wynikające z rozpraszania promieni rentgenowskich przez elektrony należące do atomów sieci krystalicznej. Atomy są uważane za nieruchome, ich drgania termiczne nie są brane pod uwagę, a wszystkie elektrony tego samego atomu są uważane za skupione w jednym punkcie - węźle sieci krystalicznej.

Aby wyprowadzić podstawowe równania dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w krysztale, rozważa się interferencję promieni rozproszonych przez atomy znajdujące się wzdłuż linii prostej w sieci krystalicznej. Na te atomy pada płaska fala monochromatycznego promieniowania rentgenowskiego pod kątem, którego cosinus jest równy 0 . Prawa interferencji promieni rozproszonych przez atomy są podobne do tych istniejących dla siatki dyfrakcyjnej, która rozprasza promieniowanie świetlne w widzialnym zakresie długości fal. Aby amplitudy wszystkich drgań sumowały się w dużej odległości od szeregu atomowego, konieczne i wystarczające jest, aby różnica w drodze promieni wychodzących z każdej pary sąsiednich atomów zawierała całkowitą liczbę długości fal. Kiedy odległość między atomami a ten stan wygląda następująco:

a(a – a0) = h ja ,

gdzie a jest cosinusem kąta między szeregiem atomowym a odchyloną wiązką, h- liczba całkowita. We wszystkich kierunkach, które nie spełniają tego równania, promienie nie rozchodzą się. W ten sposób rozproszone wiązki tworzą układ współosiowych stożków, których wspólną osią jest rząd atomowy. Śladami czopków na płaszczyźnie równoległej do rzędu atomów są hiperbole, a na płaszczyźnie prostopadłej do rzędu okręgi.

Kiedy promienie padają pod stałym kątem, promieniowanie polichromatyczne (białe) rozkłada się na widmo promieni odchylone pod stałymi kątami. Tak więc seria atomowa jest spektrografem dla promieni rentgenowskich.

Uogólnienie na dwuwymiarową (płaską) sieć atomową, a następnie trójwymiarową wolumetryczną (przestrzenną) sieć krystaliczną daje jeszcze dwa podobne równania, które obejmują kąty padania i odbicia promieni rentgenowskich oraz odległości między atomami w trzech wskazówki. Równania te nazywane są równaniami Lauego i leżą u podstaw analizy dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego.

Amplitudy promieni odbitych od równoległych płaszczyzn atomowych sumują się, a ponieważ liczba atomów jest bardzo duża, promieniowanie odbite można ustalić eksperymentalnie. Warunek odbicia jest opisany równaniem Wulffa-Bragga2d sinq = nl, gdzie d to odległość między sąsiednimi płaszczyznami atomowymi, q to kąt spojrzenia między kierunkiem wiązki padającej a tymi płaszczyznami w krysztale, l to promieniowanie rentgenowskie długość fali, a n jest liczbą całkowitą zwaną porządkiem odbicia. Kąt q to kąt padania w odniesieniu do płaszczyzn atomowych, które niekoniecznie pokrywają się w kierunku z powierzchnią badanej próbki.

Opracowano kilka metod analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego, wykorzystujących zarówno promieniowanie o widmie ciągłym, jak i promieniowanie monochromatyczne. W tym przypadku badany obiekt może być nieruchomy lub obracający się, może składać się z jednego kryształu (pojedynczy kryształ) lub wielu (polikryształ), promieniowanie ugięte można rejestrować za pomocą płaskiej lub cylindrycznej kliszy rentgenowskiej lub ruchomego detektora rentgenowskiego na obwodzie, jednak we wszystkich przypadkach podczas eksperymentu i interpretacji wyników stosuje się równanie Wulfa-Bragga.

Analiza rentgenowska w nauce i technice

Wraz z odkryciem dyfrakcji rentgenowskiej naukowcy mają do dyspozycji metodę, która pozwala bez mikroskopu badać ułożenie poszczególnych atomów i zmiany tego ułożenia pod wpływem czynników zewnętrznych.

Głównym zastosowaniem promieni rentgenowskich w naukach podstawowych jest analiza strukturalna, tj. ustalenie przestrzennego układu poszczególnych atomów w krysztale. W tym celu hoduje się monokryształy i przeprowadza analizę rentgenowską, badając zarówno lokalizację, jak i intensywność odbić. Teraz określono struktury nie tylko metali, ale także złożonych substancji organicznych, w których komórki elementarne zawierają tysiące atomów.

W mineralogii określono struktury tysięcy minerałów za pomocą analizy rentgenowskiej i stworzono ekspresowe metody analizy surowców mineralnych.

Metale mają stosunkowo prostą strukturę krystaliczną, a metoda rentgenowska umożliwia badanie ich zmian podczas różnych obróbek technologicznych i tworzenie fizycznych podstaw nowych technologii.

Skład fazowy stopów determinowany jest układem linii na obrazach rentgenowskich, liczba, wielkość i kształt kryształów jest determinowana ich szerokością, orientacja kryształów (tekstura) jest determinowana rozkładem natężenia w stożku dyfrakcyjnym.

Techniki te służą do badania procesów zachodzących podczas odkształcania plastycznego, w tym kruszenia kryształów, występowania naprężeń wewnętrznych i niedoskonałości w strukturze kryształu (dyslokacji). Podczas podgrzewania odkształconych materiałów bada się odprężenie i wzrost kryształów (rekrystalizacja).

Gdy analiza rentgenowska stopów określa skład i stężenie roztworów stałych. Kiedy pojawia się roztwór stały, zmieniają się odległości międzyatomowe, aw konsekwencji odległości między płaszczyznami atomowymi. Zmiany te są niewielkie, dlatego opracowano specjalne precyzyjne metody pomiaru okresów sieci krystalicznej z dokładnością o dwa rzędy wielkości wyższą niż dokładność pomiaru konwencjonalnymi metodami rentgenowskimi. Połączenie precyzyjnych pomiarów okresów sieci krystalicznej i analizy fazowej umożliwia wykreślenie granic obszarów fazowych na diagramie stanów. Metodą rentgenowską można również wykryć stany pośrednie między roztworami stałymi a związkami chemicznymi - uporządkowanymi roztworami stałymi, w których atomy zanieczyszczeń nie są ułożone losowo, jak w roztworach stałych, a jednocześnie nie uporządkowane trójwymiarowo, jak w chemicznym związki. Na obrazach rentgenowskich uporządkowanych roztworów stałych znajdują się dodatkowe linie, interpretacja obrazów rentgenowskich pokazuje, że atomy zanieczyszczeń zajmują określone miejsca w sieci krystalicznej, na przykład na wierzchołkach sześcianu.

Podczas hartowania stopu, który nie ulega przemianom fazowym, może wystąpić przesycony roztwór stały, a po dalszym ogrzewaniu lub nawet przetrzymaniu w temperaturze pokojowej, roztwór stały rozkłada się z uwolnieniem cząstek związku chemicznego. Jest to efekt starzenia, który pojawia się na zdjęciach radiologicznych jako zmiana położenia i szerokości linii. Badanie starzenia jest szczególnie ważne w przypadku stopów metali nieżelaznych, na przykład starzenie przekształca miękki, utwardzony stop aluminium w trwały materiał konstrukcyjny, duraluminium.

Największe znaczenie technologiczne mają badania rentgenowskie obróbki cieplnej stali. Podczas hartowania (szybkiego chłodzenia) stali następuje bezdyfuzyjne przejście fazowe austenit-martenzyt, które prowadzi do zmiany struktury z sześciennej na czworokątną, tj. komórka elementarna ma postać prostopadłościanu. Na radiogramach objawia się to jako rozszerzenie linii i rozdzielenie niektórych linii na dwie. Przyczyną tego efektu jest nie tylko zmiana struktury krystalicznej, ale również występowanie dużych naprężeń wewnętrznych na skutek nierównowagi termodynamicznej struktury martenzytycznej i gwałtownego chłodzenia. Podczas odpuszczania (nagrzewania hartowanej stali) linie na obrazach rentgenowskich zwężają się, jest to spowodowane powrotem do struktury równowagi.

W ostatnich latach duże znaczenie nabrały rentgenowskie badania obróbki materiałów o skoncentrowanych przepływach energii (wiązki laserowe, fale uderzeniowe, neutrony, impulsy elektronowe), które wymagały nowych technik i dawały nowe efekty rentgenowskie. Na przykład pod wpływem działania wiązek laserowych na metale nagrzewanie i chłodzenie zachodzą tak szybko, że w metalu po schłodzeniu kryształy mają czas, aby urosnąć tylko do rozmiaru kilku komórek elementarnych (nanokryształów) lub nie mają czasu na uformowanie się w ogóle. Taki metal po schłodzeniu wygląda jak zwykły, ale nie daje wyraźnych linii na obrazie rentgenowskim, a odbite promienie rentgenowskie są rozłożone w całym zakresie kątów patrzenia.

Po napromieniowaniu neutronami na obrazach rentgenowskich pojawiają się dodatkowe plamki (maksima rozproszone). Rozpad promieniotwórczy powoduje również określone efekty rentgenowskie związane ze zmianą struktury, a także fakt, że badana próbka sama staje się źródłem promieniowania rentgenowskiego.