Istoria descoperirii și aplicării razelor X. Prelegere Radiație cu raze X Unde cu raze X

Razele X sunt unde electromagnetice cu o lungime de undă de aproximativ 80 până la 10 -5 nm. Radiația de raze X cu cea mai mare lungime de undă este acoperită de ultraviolete cu lungime de undă scurtă, cea cu lungime de undă scurtă - de radiația γ cu lungime de undă lungă. Conform metodei de excitare, radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și caracteristică.

31.1. DISPOZITIV DE TUB DE RAZE X. Bremsstrahlung X-RAY

Cea mai comună sursă de raze X este tubul de raze X, care este un dispozitiv de vid cu doi electrozi (Fig. 31.1). Catod incalzit 1 emite electroni 4. Anodul 2, adesea denumit anticatod, are o suprafață înclinată pentru a dirija razele X rezultate. 3 în unghi faţă de axa tubului. Anodul este realizat dintr-un material foarte conductor de căldură pentru a elimina căldura generată de impactul electronilor. Suprafața anodului este realizată din materiale refractare având un număr atomic mare în tabelul periodic, de exemplu, wolfram. În unele cazuri, anodul este răcit special cu apă sau ulei.

Pentru tuburile de diagnosticare, este importantă precizia sursei de raze X, ceea ce poate fi obținut prin focalizarea electronilor într-un loc al anticatodului. Prin urmare, constructiv, trebuie luate în considerare două sarcini opuse: pe de o parte, electronii trebuie să cadă într-un loc al anodului, pe de altă parte, pentru a preveni supraîncălzirea, este de dorit să se distribuie electronii pe diferite părți ale anodul. Ca una dintre soluțiile tehnice interesante este un tub cu raze X cu un anod rotativ (Fig. 31.2).

Ca rezultat al decelerării unui electron (sau a unei alte particule încărcate) de către câmpul electrostatic al nucleului atomic și electronii atomici ai substanței anticatodului, un radiația bremsstrahlung.

Mecanismul său poate fi explicat după cum urmează. O sarcină electrică în mișcare este asociată cu un câmp magnetic, a cărui inducție depinde de viteza electronului. La frânare, magnetic

inducție și, în conformitate cu teoria lui Maxwell, apare o undă electromagnetică.

Când electronii decelerează, doar o parte din energie este folosită pentru a crea un foton cu raze X, cealaltă parte este cheltuită pentru încălzirea anodului. Deoarece raportul dintre aceste părți este aleatoriu, atunci când un număr mare de electroni decelerează, se formează un spectru continuu de radiații cu raze X. În acest sens, bremsstrahlung se mai numește și continuu. Pe fig. 31.3 arată dependența fluxului de raze X de lungimea de undă λ (spectre) la diferite tensiuni în tubul de raze X: U 1< U 2 < U 3 .

În fiecare dintre spectre, cea mai scurtă lungime de undă bremsstrahlung λ ηίη apare atunci când energia dobândită de un electron într-un câmp accelerator este complet convertită în energia unui foton:

Rețineți că pe baza (31.2) a fost dezvoltată una dintre cele mai precise metode pentru determinarea experimentală a constantei lui Planck.

Razele X cu lungime de undă scurtă au de obicei o putere de penetrare mai mare decât cele cu lungime de undă lungă și sunt numite greu,și unde lungă moale.

Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, compoziția spectrală a radiației este modificată, așa cum se poate observa din Fig. 31.3 și formulele (31.3) și crește rigiditatea.

Dacă temperatura filamentului catodului crește, atunci emisia de electroni și curentul din tub vor crește. Acest lucru va crește numărul de fotoni de raze X emiși în fiecare secundă. Compoziția sa spectrală nu se va schimba. Pe fig. 31.4 prezintă spectrele de raze X bremsstrahlung la aceeași tensiune, dar la curenți de filament catodic diferiți: / n1< / н2 .

Fluxul de raze X se calculează cu formula:

Unde Uși eu- tensiune și curent în tubul cu raze X; Z- numărul de serie al unui atom al substanței anodice; k- coeficient de proporţionalitate. Spectre obţinute din diferiţi anticatozi în acelaşi timp Uși I H sunt prezentate în fig. 31.5.

31.2. RADIAȚII RX CARACTERISTICE. SPECTRE DE RAZE X ATOMICE

Prin creșterea tensiunii pe tubul cu raze X, se poate observa aspectul unei linii, care corespunde

raze X caracteristice(Fig. 31.6). Ea apare din cauza faptului că electronii accelerați pătrund adânc în atom și scot electronii din straturile interioare. Electronii de la nivelurile superioare se deplasează în locuri libere (Fig. 31.7), ca urmare, sunt emiși fotoni de radiații caracteristice. După cum se poate observa din figură, radiația caracteristică de raze X este formată din serii K, L, M etc., al cărui nume servea la desemnarea straturilor electronice. Deoarece emisia seriei K eliberează spațiu în straturile superioare, liniile altor serii sunt emise simultan.

Spre deosebire de spectrele optice, spectrele de raze X caracteristice ale diferiților atomi sunt de același tip. Pe fig. 31.8 prezintă spectrele diferitelor elemente. Uniformitatea acestor spectre se datorează faptului că straturile interioare ale diferiților atomi sunt aceleași și diferă doar energetic, deoarece efectul de forță din nucleu crește odată cu creșterea numărului ordinal al elementului. Această împrejurare duce la faptul că spectrele caracteristice se deplasează către frecvențe mai mari odată cu creșterea sarcinii nucleare. Acest model este vizibil din Fig. 31.8 și cunoscut ca Legea lui Moseley:

Unde v- frecvența liniei spectrale; Z- numărul atomic al elementului emițător; Ași V- permanentă.

Există o altă diferență între spectrele optice și cele cu raze X.

Spectrul de raze X caracteristic unui atom nu depinde de compusul chimic în care este inclus acest atom. De exemplu, spectrul de raze X al atomului de oxigen este același pentru O, O 2 și H 2 O, în timp ce spectrele optice ale acestor compuși sunt semnificativ diferite. Această caracteristică a spectrului de raze X al atomului a stat la baza numelui caracteristică.

Radiația caracteristică apare întotdeauna atunci când există spațiu liber în straturile interioare ale unui atom, indiferent de motivul care a provocat-o. Deci, de exemplu, radiația caracteristică însoțește unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă (vezi 32.1), care constă în captarea unui electron din stratul interior de către nucleu.

31.3. INTERACȚIA RADIAȚIILOR X CU SUBSTANȚA

Înregistrarea și utilizarea radiațiilor cu raze X, precum și impactul acesteia asupra obiectelor biologice, sunt determinate de procesele primare de interacțiune a unui foton de raze X cu electronii atomilor și moleculelor unei substanțe.

În funcție de raportul de energie hv fotonii și energia de ionizare 1 A și există trei procese principale.

Imprăștire coerentă (clasică).

Difuzarea razelor X cu lungime de undă lungă are loc în principal fără modificarea lungimii de undă și se numește coerent. Apare dacă energia fotonului este mai mică decât energia de ionizare: hv< A și.

Deoarece în acest caz energia fotonului de raze X și a atomului nu se modifică, împrăștierea coerentă în sine nu provoacă un efect biologic. Cu toate acestea, atunci când se creează protecție împotriva radiațiilor cu raze X, ar trebui să se țină cont de posibilitatea de a schimba direcția fasciculului primar. Acest tip de interacțiune este important pentru analiza difracției de raze X (vezi 24.7).

Imprăștire incoerentă (efect Compton)

În 1922 A.Kh. Compton, observând împrăștierea razelor X dure, a descoperit o scădere a puterii de penetrare a fasciculului împrăștiat în comparație cu fasciculul incident. Aceasta însemna că lungimea de undă a razelor X împrăștiate a fost mai mare decât cea a razelor X incidente. Se numește împrăștierea razelor X cu o modificare a lungimii de undă incoerent nym, și fenomenul în sine - efectul Compton. Apare dacă energia fotonului cu raze X este mai mare decât energia de ionizare: hv > A și.

Acest fenomen se datorează faptului că atunci când interacționează cu un atom, energia hv fotonul este cheltuit pentru producerea unui nou foton împrăștiat cu raze X cu energie hv", a detașa un electron dintr-un atom (energia de ionizare A u) și a da energie cinetică electronului E la:

hv \u003d hv " + A și + E k.(31.6)

1 Aici, energia de ionizare este înțeleasă ca energia necesară pentru a îndepărta electronii interni dintr-un atom sau moleculă.

Deoarece în multe cazuri hv>> A și și efectul Compton are loc pe electronii liberi, atunci putem scrie aproximativ:

hv = hv"+ E K .(31.7)

Este semnificativ faptul că în acest fenomen (Fig. 31.9), alături de radiația secundară de raze X (energie hv" foton) apar electroni de recul (energie cinetică E la electron). Atomii sau moleculele devin apoi ioni.

efect fotoelectric

În efectul fotoelectric, radiația de raze X este absorbită de un atom, în urma căruia un electron zboară, iar atomul este ionizat (fotoionizare).

Cele trei procese principale de interacțiune discutate mai sus sunt primare, ele conduc la secundar, terțiar etc. fenomene. De exemplu, atomii ionizați pot emite un spectru caracteristic, atomii excitați pot deveni surse de lumină vizibilă (luminescență cu raze X), etc.

Pe fig. 31.10 este o diagramă a proceselor posibile care au loc atunci când radiația de raze X intră într-o substanță. Mai multe zeci de procese similare cu cel prezentat pot avea loc înainte ca energia fotonului cu raze X să fie convertită în energia mișcării termice moleculare. Ca urmare, vor exista modificări în compoziția moleculară a substanței.

Procesele reprezentate de diagrama din fig. 31.10, stau la baza fenomenelor observate sub actiunea razelor X asupra materiei. Să enumerăm câteva dintre ele.

Luminescență cu raze X- strălucirea unui număr de substanțe sub iradiere cu raze X. O astfel de strălucire de bariu platină-cianogen i-a permis lui Roentgen să descopere razele. Acest fenomen este folosit pentru a crea ecrane luminoase speciale în scopul observării vizuale a razelor X, uneori pentru a spori acțiunea razelor X pe o placă fotografică.

Acțiunea chimică a radiațiilor X este cunoscută, de exemplu, formarea peroxidului de hidrogen în apă. Un exemplu practic important este efectul pe o placă fotografică, care face posibilă detectarea unor astfel de raze.

Efectul ionizant se manifestă printr-o creștere a conductibilității electrice sub influența razelor X. Această proprietate este utilizată

în dozimetrie pentru a cuantifica efectul acestui tip de radiaţii.

Ca urmare a multor procese, fasciculul primar de raze X este slăbit în conformitate cu legea (29.3). Să o scriem sub forma:

I = I0 e-/", (31.8)

Unde μ - coeficient liniar de atenuare. Poate fi reprezentat ca fiind alcătuit din trei termeni corespunzători împrăștierii coerente μ κ , incoerente μ ΗΚ și fotoefectului μ f:

μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)

Intensitatea radiației cu raze X este atenuată proporțional cu numărul de atomi ai substanței prin care trece acest flux. Dacă comprimăm materia de-a lungul axei X, de exemplu, în b ori prin creştere b ori densitatea sa, atunci

31.4. FUNDAMENTELE FIZICE ALE APLICĂRII RADIAȚIILOR X ÎN MEDICINĂ

Una dintre cele mai importante aplicații medicale ale razelor X este transiluminarea organelor interne în scopuri de diagnostic. (diagnosticare cu raze X).

Pentru diagnosticare se folosesc fotoni cu o energie de aproximativ 60-120 keV. La această energie, coeficientul de extincție în masă este determinat în principal de efectul fotoelectric. Valoarea sa este invers proporțională cu puterea a treia a energiei fotonului (proporțional cu λ 3), care manifestă o putere mare de penetrare a radiației dure, și proporțională cu puterea a treia a numărului atomic al substanței absorbante:

O diferență semnificativă în absorbția radiațiilor X de către diferite țesuturi vă permite să vedeți imagini ale organelor interne ale corpului uman într-o proiecție în umbră.

Diagnosticarea cu raze X este utilizată în două versiuni: fluoroscopie imaginea este vizualizată pe un ecran luminescent cu raze X, radiografie - imaginea este fixată pe film.

Dacă organul studiat și țesuturile din jur atenuează razele X aproximativ în mod egal, atunci se folosesc agenți de contrast speciali. Deci, de exemplu, umplând stomacul și intestinele cu o masă moale de sulfat de bariu, se poate vedea imaginea lor în umbră.

Luminozitatea imaginii de pe ecran și timpul de expunere pe film depind de intensitatea razelor X. Dacă este utilizat pentru diagnostic, atunci intensitatea nu poate fi mare, pentru a nu provoca consecințe biologice nedorite. Prin urmare, există o serie de dispozitive tehnice care îmbunătățesc imaginea la intensități scăzute de raze X. Un exemplu de astfel de dispozitiv sunt tuburile intensificatoare (vezi 27.8). Într-o examinare în masă a populației, o variantă de radiografie este utilizată pe scară largă - fluorografia, în care o imagine de pe un ecran mare luminescent cu raze X este înregistrată pe un film sensibil de format mic. La fotografiere, se folosește un obiectiv cu deschidere mare, imaginile finite sunt examinate cu o lupă specială.

O opțiune interesantă și promițătoare pentru radiografie este o metodă numită tomografie cu raze X, și „versiunea sa de mașină” - scanare CT.

Să luăm în considerare această întrebare.

O radiografie simplă acoperă o zonă mare a corpului, cu diverse organe și țesuturi umbrindu-se unele pe altele. Puteți evita acest lucru dacă mutați periodic tubul cu raze X împreună (Fig. 31.11) în antifază RTși film Fp relativ la obiect Despre cercetare. Corpul conține o serie de incluziuni care sunt opace la razele X; acestea sunt prezentate prin cercuri în figură. După cum puteți vedea, razele X în orice poziție a tubului de raze X (1, 2 etc.) trece prin

tăierea aceluiași punct al obiectului, care este centrul, față de care se realizează mișcarea periodică RTși Fp. Acest punct, mai precis o mică incluziune opac, este arătat de un cerc întunecat. Imaginea lui în umbră se mișcă cu fp, ocupând succesiv pozițiile 1, 2 etc. Incluziunile rămase în corp (oase, sigilii etc.) creează pe Fp un fundal general, deoarece razele X nu sunt permanent ascunse de acestea. Prin schimbarea poziției centrului de balansare, este posibilă obținerea unei imagini cu raze X strat cu strat a corpului. De aici și numele - tomografie(înregistrare stratificată).

Este posibil, folosind un fascicul subțire de raze X, să ecranați (în loc de Fp), constând din detectoare semiconductoare de radiații ionizante (vezi 32.5) și un computer, pentru a procesa imaginea cu raze X în umbră în timpul tomografiei. Această versiune modernă a tomografiei (tomografie computerizată sau computerizată cu raze X) vă permite să obțineți imagini stratificate ale corpului pe ecranul unui tub catodic sau pe hârtie cu detalii mai mici de 2 mm cu o diferență în absorbția de raze X de până la 0,1%. Acest lucru permite, de exemplu, să se facă distincția între substanța cenușie și cea albă a creierului și să se vadă formațiuni tumorale foarte mici.

Radiația de raze X apare atunci când electronii care se mișcă la viteze mari interacționează cu materia. Când electronii se ciocnesc cu atomi de orice substanță, ei își pierd rapid energia cinetică. În acest caz, cea mai mare parte este transformată în căldură, iar o mică fracțiune, de obicei mai mică de 1%, este transformată în energie de raze X. Această energie este eliberată sub formă de cuante - particule numite fotoni care au energie, dar au masa de repaus zero. Fotonii cu raze X diferă în ceea ce privește energia lor, care este invers proporțională cu lungimea de undă. Cu metoda convențională de obținere a razelor X se obține o gamă largă de lungimi de undă, care se numește spectru de raze X. Spectrul conține componente pronunțate, așa cum se arată în Fig. unu.

Orez. unu. UN SPECTRU DE RAZE X CONVENȚIONAL constă dintr-un spectru continuu (continuu) și linii caracteristice (vârfuri ascuțite). Liniile Kia și Kib apar din cauza interacțiunilor electronilor accelerați cu electronii învelișului K interior.

„Continuumul” larg se numește spectru continuu sau radiație albă. Vârfurile ascuțite suprapuse pe acesta se numesc linii caracteristice de emisie de raze X. Deși întregul spectru este rezultatul ciocnirilor electronilor cu materia, mecanismele de apariție a părții sale largi și a liniilor sunt diferite. O substanță este formată dintr-un număr mare de atomi, fiecare având un nucleu înconjurat de învelișuri de electroni, iar fiecare electron din învelișul unui atom al unui element dat ocupă un anumit nivel de energie discret. De obicei, aceste învelișuri, sau niveluri de energie, sunt notate prin simbolurile K, L, M etc., începând de la învelișul cel mai apropiat de nucleu. Când un electron incident de energie suficient de mare se ciocnește cu unul dintre electronii legați de atom, acesta scoate acel electron din învelișul său. Spațiul gol este ocupat de un alt electron din înveliș, ceea ce corespunde unei energii superioare. Acesta din urmă emite energie în exces prin emiterea unui foton de raze X. Deoarece electronii învelișului au valori de energie discrete, fotonii de raze X rezultați au, de asemenea, un spectru discret. Aceasta corespunde unor vârfuri ascuțite pentru anumite lungimi de undă, ale căror valori specifice depind de elementul țintă. Liniile caracteristice formează seriile K, L și M, în funcție de învelișul (K, L sau M) din care a fost îndepărtat electronul. Relația dintre lungimea de undă a razelor X și numărul atomic se numește legea lui Moseley (Fig. 2).

Orez. 2. Lungimea de undă a RADIAȚIELOR X CARACTERISTICE emise de elementele chimice depinde de numărul atomic al elementului. Curba corespunde legii lui Moseley: cu cât numărul atomic al elementului este mai mare, cu atât lungimea de undă a liniei caracteristice este mai mică.

Dacă un electron se ciocnește cu un nucleu relativ greu, atunci acesta încetinește, iar energia sa cinetică este eliberată sub forma unui foton de raze X de aproximativ aceeași energie. Dacă zboară pe lângă nucleu, el își va pierde doar o parte din energia, iar restul va fi transferat altor atomi care îi cad în cale. Fiecare act de pierdere de energie duce la emisia unui foton cu ceva energie. Apare un spectru continuu de raze X, a cărui limită superioară corespunde energiei celui mai rapid electron. Acesta este mecanismul de formare a unui spectru continuu, iar energia maximă (sau lungimea de undă minimă) care fixează limita spectrului continuu este proporțională cu tensiunea de accelerare, care determină viteza electronilor incidenti. Liniile spectrale caracterizează materialul țintei bombardate, în timp ce spectrul continuu este determinat de energia fasciculului de electroni și practic nu depinde de materialul țintă.

Razele X pot fi obținute nu numai prin bombardarea cu electroni, ci și prin iradierea țintei cu raze X din altă sursă. În acest caz, totuși, cea mai mare parte a energiei fasciculului incident intră în spectrul caracteristic de raze X și o fracțiune foarte mică din acesta intră în spectrul continuu. Evident, fasciculul de raze X incident trebuie să conţină fotoni a căror energie este suficientă pentru a excita liniile caracteristice ale elementului bombardat. Procentul mare de energie pe spectru caracteristic face ca această metodă de excitare cu raze X să fie convenabilă pentru cercetarea științifică.

tuburi cu raze X. Pentru a obține radiații de raze X datorită interacțiunii electronilor cu materia, este necesar să existe o sursă de electroni, mijloace de accelerare a acestora la viteze mari și o țintă capabilă să reziste la bombardamentul cu electroni și să producă radiații de raze X de intensitatea necesară. Aparatul care are toate acestea se numește tub cu raze X. Exploratorii timpurii au folosit tuburi cu „vid adânc”, cum ar fi tuburile cu descărcare de astăzi. Vidul din ele nu era foarte mare.

Tuburile de descărcare conțin o cantitate mică de gaz, iar atunci când se aplică o diferență mare de potențial electrozilor tubului, atomii de gaz se transformă în ioni pozitivi și negativi. Cei pozitivi se deplasează spre electrodul negativ (catod) și, căzând peste el, scot electroni din el, iar ei, la rândul lor, se deplasează către electrodul pozitiv (anod) și, bombardându-l, creează un flux de fotoni de raze X. .

În tubul modern cu raze X dezvoltat de Coolidge (Fig. 3), sursa de electroni este un catod de wolfram încălzit la o temperatură ridicată. Electronii sunt accelerați la viteze mari de diferența mare de potențial dintre anod (sau anticatod) și catod. Deoarece electronii trebuie să ajungă la anod fără a se ciocni cu atomii, este necesar un vid foarte mare, pentru care tubul trebuie bine evacuat. Acest lucru reduce, de asemenea, probabilitatea de ionizare a atomilor de gaz rămași și a curenților laterali asociați.

Orez. 3. RĂCIRE ​​TUB DE RAZE X. Când este bombardat cu electroni, anticatodul de wolfram emite raze X caracteristice. Secțiunea transversală a fasciculului de raze X este mai mică decât zona iradiată reală. 1 - fascicul de electroni; 2 - catod cu electrod de focalizare; 3 - carcasă de sticlă (tub); 4 - tinta tungsten (anticatod); 5 - filament catodic; 6 - zona efectiv iradiata; 7 - punct focal eficient; 8 - anod de cupru; 9 - fereastra; 10 - raze X împrăștiate.

Electronii sunt focalizați pe anod printr-un electrod cu formă specială care înconjoară catodul. Acest electrod se numește electrod de focalizare și, împreună cu catodul, formează „reflectorul electronic” al tubului. Anodul supus bombardamentului electronic trebuie să fie realizat dintr-un material refractar, deoarece cea mai mare parte a energiei cinetice a electronilor de bombardare este transformată în căldură. În plus, este de dorit ca anodul să fie realizat dintr-un material cu număr atomic ridicat, deoarece randamentul razelor X crește odată cu creșterea numărului atomic. Cel mai frecvent ales material anodic este wolfram, al cărui număr atomic este 74.

Designul tuburilor cu raze X poate varia în funcție de aplicație și cerințe.

Razele X joacă unul dintre cele mai importante roluri în studiul și utilizarea practică a fenomenelor atomice. Datorită cercetărilor lor s-au făcut numeroase descoperiri și s-au dezvoltat metode de analiză a substanțelor, care sunt utilizate în diverse domenii. Aici vom lua în considerare unul dintre tipurile de raze X - raze X caracteristice.

Natura și proprietățile razelor X

Radiația de raze X este o modificare de înaltă frecvență a stării unui câmp electromagnetic care se propagă în spațiu cu o viteză de aproximativ 300.000 km/s, adică unde electromagnetice. Pe scara intervalului de radiații electromagnetice, razele X sunt situate în intervalul de lungimi de undă de la aproximativ 10 -8 până la 5∙10 -12 metri, care este cu câteva ordine de mărime mai scurtă decât undele optice. Aceasta corespunde frecvențelor de la 3∙10 16 la 6∙10 19 Hz și energiilor de la 10 eV la 250 keV, sau 1,6∙10 -18 la 4∙10 -14 J. Trebuie remarcat faptul că limitele intervalelor de frecvență ale radiațiile electromagnetice sunt destul de convenționale datorită suprapunerii lor.

Este interacțiunea particulelor încărcate accelerate (electroni de înaltă energie) cu câmpurile electrice și magnetice și cu atomii materiei.

Fotonii de raze X se caracterizează prin energii mari și putere mare de penetrare și ionizare, în special pentru razele X dure cu lungimi de undă mai mici de 1 nanometru (10 -9 m).

Razele X interacționează cu materia, ionizându-i atomii, în procesele de efect fotoelectric (fotoabsorbție) și de împrăștiere incoerentă (Compton). În fotoabsorbție, un foton de raze X, fiind absorbit de un electron al unui atom, îi transferă energie. Dacă valoarea sa depășește energia de legare a unui electron într-un atom, atunci el părăsește atomul. Imprăștirea Compton este caracteristică fotonilor cu raze X mai duri (energetici). O parte din energia fotonului absorbit este cheltuită pentru ionizare; in acest caz, la un anumit unghi fata de directia fotonului primar, se emite unul secundar, cu o frecventa mai mica.

Tipuri de radiații cu raze X. Bremsstrahlung

Pentru a obtine raze se folosesc sticle de vid de sticla cu electrozi situati in interior. Diferența de potențial între electrozi trebuie să fie foarte mare - până la sute de kilovolți. Pe un catod de wolfram încălzit de curent are loc o emisie termoionică, adică din el sunt emiși electroni care, accelerați de diferența de potențial, bombardează anodul. Ca urmare a interacțiunii lor cu atomii anodului (uneori numit anticatod), se nasc fotonii de raze X.

În funcție de procesul care duce la nașterea unui foton, există astfel de tipuri de radiații cu raze X precum bremsstrahlung și caracteristice.

Electronii pot, întâlnindu-se cu anodul, să încetinească, adică să piardă energie în câmpurile electrice ale atomilor săi. Această energie este emisă sub formă de fotoni cu raze X. O astfel de radiație se numește bremsstrahlung.

Este clar că condițiile de frânare vor diferi pentru electroni individuali. Aceasta înseamnă că diferite cantități din energia lor cinetică sunt convertite în raze X. Ca rezultat, bremsstrahlung include fotoni de diferite frecvențe și, în consecință, lungimi de undă. Prin urmare, spectrul său este continuu (continuu). Uneori din acest motiv se mai numește și raze X „albe”.

Energia fotonului bremsstrahlung nu poate depăși energia cinetică a electronului care îl generează, astfel încât frecvența maximă (și cea mai mică lungime de undă) a bremsstrahlung corespunde cu cea mai mare valoare a energiei cinetice a electronilor incidente pe anod. Acesta din urmă depinde de diferența de potențial aplicată electrozilor.

Există un alt tip de radiografie care provine dintr-un proces diferit. Această radiație se numește caracteristică și ne vom opri asupra ei mai detaliat.

Cum sunt produse razele X caracteristice

Ajuns la anticatod, un electron rapid poate pătrunde în interiorul atomului și poate elimina orice electron de pe unul dintre orbitalii inferiori, adică poate transfera acestuia energie suficientă pentru a depăși bariera de potențial. Cu toate acestea, dacă există niveluri mai mari de energie ocupate de electroni în atom, locul eliberat nu va rămâne gol.

Trebuie amintit că structura electronică a atomului, ca orice sistem energetic, urmărește să minimizeze energia. Locul vacant format ca urmare a knockout-ului este umplut cu un electron de la unul dintre nivelurile superioare. Energia sa este mai mare și, ocupând un nivel inferior, emite un surplus sub forma unui cuantum de radiație caracteristică de raze X.

Structura electronică a unui atom este un set discret de stări de energie posibile ale electronilor. Prin urmare, fotonii de raze X emiși în timpul înlocuirii golurilor de electroni pot avea, de asemenea, doar valori de energie strict definite, reflectând diferența de nivel. Ca urmare, radiația caracteristică de raze X are un spectru nu de tip continuu, ci de tip linie. Un astfel de spectru face posibilă caracterizarea substanței anodului - de unde și numele acestor raze. Tocmai din cauza diferențelor spectrale este clar ce se înțelege prin bremsstrahlung și razele X caracteristice.

Uneori, excesul de energie nu este emis de atom, ci este cheltuit pentru a elimina cel de-al treilea electron. Acest proces - așa-numitul efect Auger - este mai probabil să apară atunci când energia de legare a electronilor nu depășește 1 keV. Energia electronului Auger eliberat depinde de structura nivelurilor de energie ale atomului, astfel încât spectrele unor astfel de electroni sunt, de asemenea, discrete.

Vedere generală a spectrului caracteristic

Liniile caracteristice înguste sunt prezente în modelul spectral de raze X împreună cu un spectru bremsstrahlung continuu. Dacă reprezentăm spectrul ca o diagramă a intensității în funcție de lungimea de undă (frecvență), vom vedea vârfuri ascuțite în locațiile liniilor. Poziția lor depinde de materialul anodului. Aceste maxime sunt prezente la orice diferență de potențial - dacă există raze X, există întotdeauna și vârfuri. Odată cu creșterea tensiunii la electrozii tubului, intensitatea radiației X continue și caracteristice crește, dar locația vârfurilor și raportul intensităților acestora nu se modifică.

Vârfurile din spectrele de raze X au aceeași formă indiferent de materialul anticatodului iradiat de electroni, dar pentru diferite materiale sunt situate la frecvențe diferite, unindu-se în serie în funcție de proximitatea valorilor de frecvență. Între serii în sine, diferența de frecvențe este mult mai semnificativă. Forma maximelor nu depinde în niciun fel de faptul dacă materialul anodic reprezintă un element chimic pur sau dacă este o substanță complexă. În acest din urmă caz, spectrele de raze X caracteristice ale elementelor sale constitutive sunt pur și simplu suprapuse unele peste altele.

Odată cu creșterea numărului atomic al unui element chimic, toate liniile spectrului său de raze X sunt deplasate spre creșterea frecvenței. Spectrul își păstrează forma.

legea lui Moseley

Fenomenul deplasării spectrale a liniilor caracteristice a fost descoperit experimental de către fizicianul englez Henry Moseley în 1913. Acest lucru ia permis să asocieze frecvențele maximelor spectrului cu numerele ordinale ale elementelor chimice. Astfel, lungimea de undă a radiației caracteristice cu raze X, după cum sa dovedit, poate fi corelată în mod clar cu un anumit element. În termeni generali, legea lui Moseley poate fi scrisă după cum urmează: √f = (Z - S n)/n√R, unde f este frecvența, Z este numărul ordinal al elementului, S n este constanta de screening, n este principalul număr cuantic, iar R este constanta Rydberg. Această relație este liniară și apare pe diagrama Moseley ca o serie de linii drepte pentru fiecare valoare a lui n.

Valorile lui n corespund unor serii individuale de vârfuri caracteristice de raze X. Legea lui Moseley permite determinarea numărului de serie al unui element chimic iradiat de electroni duri din lungimile de undă măsurate (acestea sunt legate în mod unic de frecvențe) ale maximelor spectrului de raze X.

Structura învelișurilor electronice ale elementelor chimice este identică. Acest lucru este indicat de monotonitatea schimbării deplasării în spectrul caracteristic al radiației cu raze X. Schimbarea de frecvență reflectă nu diferențe structurale, ci de energie între învelișurile de electroni, unice pentru fiecare element.

Rolul legii lui Moseley în fizica atomică

Există mici abateri de la relația liniară strictă exprimată de legea lui Moseley. Ele sunt asociate, în primul rând, cu particularitățile ordinii de umplere a învelișurilor de electroni în unele elemente și, în al doilea rând, cu efectele relativiste ale mișcării electronilor în atomii grei. În plus, atunci când numărul de neutroni din nucleu se modifică (așa-numita schimbare izotopică), poziția liniilor se poate schimba ușor. Acest efect a făcut posibilă studierea structurii atomice în detaliu.

Semnificația legii lui Moseley este extrem de mare. Aplicarea sa consecventă la elementele sistemului periodic al lui Mendeleev a stabilit modelul de creștere a numărului de serie în funcție de fiecare mică schimbare a maximelor caracteristice. Acest lucru a contribuit la clarificarea problemei semnificației fizice a numărului ordinal de elemente. Valoarea lui Z nu este doar un număr: este sarcina electrică pozitivă a nucleului, care este suma sarcinilor pozitive unitare ale particulelor care îl alcătuiesc. Amplasarea corectă a elementelor în tabel și prezența pozițiilor goale în acesta (atunci încă existau) au primit o confirmare puternică. S-a dovedit valabilitatea legii periodice.

Legea lui Moseley, în plus, a devenit baza pe care a luat naștere o întreagă zonă de cercetare experimentală - spectrometria cu raze X.

Structura învelișurilor de electroni ale atomului

Să ne amintim pe scurt modul în care este aranjat electronul, care constă din învelișuri, notate cu literele K, L, M, N, O, P, Q sau numere de la 1 la 7. Electronii din înveliș sunt caracterizați de aceleași elemente principale. numărul cuantic n, care determină valorile energetice posibile. În învelișurile exterioare, energia electronilor este mai mare, iar potențialul de ionizare pentru electronii exteriori este în mod corespunzător mai mic.

Învelișul include unul sau mai multe subniveluri: s, p, d, f, g, h, i. În fiecare înveliș, numărul de subniveluri crește cu unul față de cel precedent. Numărul de electroni din fiecare subnivel și din fiecare înveliș nu poate depăși o anumită valoare. Ele sunt caracterizate, pe lângă numărul cuantic principal, prin aceeași valoare a norului de electroni orbital care determină forma. Subnivelurile sunt etichetate cu shell-ul căruia îi aparțin, cum ar fi 2s, 4d și așa mai departe.

Subnivelul conține care sunt stabilite, în plus față de principal și orbital, de încă un număr cuantic - magnetic, care determină proiecția impulsului orbital al electronului pe direcția câmpului magnetic. Un orbital nu poate avea mai mult de doi electroni, care diferă în valoarea celui de-al patrulea număr cuantic - spin.

Să luăm în considerare mai detaliat modul în care apar radiațiile caracteristice cu raze X. Deoarece originea acestui tip de emisie electromagnetică este asociată cu fenomene care au loc în interiorul atomului, cel mai convenabil este să o descriem exact în aproximarea configurațiilor electronice.

Mecanismul de generare a razelor X caracteristice

Deci, cauza acestei radiații este formarea de goluri de electroni în învelișurile interioare, datorită pătrunderii electronilor de înaltă energie adânc în atom. Probabilitatea ca un electron dur să interacționeze crește odată cu densitatea norilor de electroni. Prin urmare, coliziunile sunt cel mai probabil în interiorul învelișurilor interioare dens, cum ar fi cel mai de jos K-shell. Aici atomul este ionizat și se formează un loc vacant în învelișul 1s.

Acest loc liber este umplut de un electron din înveliș cu o energie mai mare, al cărui exces este purtat de fotonul cu raze X. Acest electron poate „cădea” din a doua înveliș L, din a treia înveliș M și așa mai departe. Așa se formează seria caracteristică, în acest exemplu, seria K. O indicație despre unde provine electronul care umple postul vacant este dată sub forma unui index grecesc atunci când se desemnează seria. „Alpha” înseamnă că provine din L-shell, „beta” - din M-shell. În prezent, există tendința de a înlocui indicii de litere grecești cu cei latini adoptati pentru a desemna scoici.

Intensitatea liniei alfa din serie este întotdeauna cea mai mare, ceea ce înseamnă că probabilitatea de a ocupa un loc vacant dintr-o coajă vecină este cea mai mare.

Acum putem răspunde la întrebarea care este energia maximă a cuantumului caracteristic de raze X. Este determinată de diferența dintre valorile energetice ale nivelurilor între care are loc tranziția electronilor, conform formulei E \u003d E n 2 - E n 1, unde E n 2 și E n 1 sunt energiile stări electronice între care s-a produs tranziția. Cea mai mare valoare a acestui parametru este dată de tranzițiile din seria K de la cele mai înalte niveluri posibile de atomi de elemente grele. Dar intensitatea acestor linii (înălțimi de vârf) este cea mai mică, deoarece sunt cele mai puțin probabile.

Dacă, din cauza tensiunii insuficiente pe electrozi, un electron dur nu poate ajunge la nivelul K, acesta formează un loc vacant la nivelul L și se formează o serie L mai puțin energică cu lungimi de undă mai mari. Serii ulterioare se nasc într-un mod similar.

În plus, atunci când un post vacant este ocupat, un nou post vacant apare în carcasa de deasupra ca urmare a unei tranziții electronice. Acest lucru creează condițiile pentru generarea următoarei serii. Vacantele electronice se deplasează mai sus de la un nivel la altul, iar atomul emite o cascadă de serii spectrale caracteristice, rămânând în același timp ionizat.

Structura fină a spectrelor caracteristice

Spectrele atomice de raze X ale radiației caracteristice de raze X sunt caracterizate printr-o structură fină, care se exprimă, ca și în spectrele optice, în divizare de linie.

Structura fină se datorează faptului că nivelul de energie - învelișul de electroni - este un set de componente strâns distanțate - subînvelișuri. Pentru a caracteriza subshell-urile, se mai introduce un număr cuantic intern j, care reflectă interacțiunea momentelor magnetice intrinseci și orbitale ale electronului.

În legătură cu influența interacțiunii spin-orbită, structura energetică a atomului devine mai complicată și, ca urmare, radiația caracteristică de raze X are un spectru care se caracterizează prin linii despicate cu elemente foarte strâns distanțate.

Elementele de structură fină sunt de obicei notate prin indici digitali suplimentari.

Radiația caracteristică de raze X are o trăsătură care se reflectă numai în structura fină a spectrului. Tranziția unui electron la cel mai scăzut nivel de energie nu are loc din subînvelișul inferior al nivelului de deasupra. Un astfel de eveniment are o probabilitate neglijabilă.

Utilizarea razelor X în spectrometrie

Această radiație, datorită caracteristicilor sale descrise de legea lui Moseley, stă la baza diferitelor metode spectrale de raze X pentru analiza substanțelor. La analiza spectrului de raze X se folosesc fie difracția radiației prin cristale (metoda de dispersie a undelor), fie detectoare sensibile la energia fotonilor de raze X absorbiți (metoda de dispersie a energiei). Majoritatea microscoapelor electronice sunt echipate cu o anumită formă de atașament pentru spectrometrie cu raze X.

Spectrometria cu dispersie a undelor se caracterizează printr-o precizie deosebit de ridicată. Cu ajutorul unor filtre speciale sunt selectate cele mai intense vârfuri din spectru, datorită cărora este posibil să se obțină radiații aproape monocromatice cu o frecvență precis cunoscută. Materialul anodului este ales foarte atent pentru a se asigura că se obține un fascicul monocromatic cu frecvența dorită. Difracția sa pe rețeaua cristalină a substanței studiate face posibilă studierea structurii rețelei cu mare precizie. Această metodă este folosită și în studiul ADN-ului și al altor molecule complexe.

Una dintre caracteristicile radiației caracteristice cu raze X este luată în considerare și în spectrometria gamma. Aceasta este intensitatea ridicată a vârfurilor caracteristice. Spectrometrele Gamma folosesc ecranare cu plumb împotriva radiațiilor externe de fond care interferează cu măsurătorile. Dar plumbul, care absoarbe cuante gamma, experimentează ionizare internă, ca urmare a căreia emite activ în intervalul de raze X. Ecranarea suplimentară cu cadmiu este utilizată pentru a absorbi vârfurile intense ale radiației caracteristice de raze X din plumb. Acesta, la rândul său, este ionizat și emite și raze X. Pentru a neutraliza vârfurile caracteristice ale cadmiului, se folosește un al treilea strat de ecranare - cupru, ale cărui maxime de raze X se află în afara intervalului de frecvență de funcționare al spectrometrului gamma.

Spectrometria folosește atât bremsstrahlung, cât și raze X caracteristice. Astfel, în analiza substanțelor se studiază spectrele de absorbție a razelor X continue de către diverse substanțe.

Medicina modernă folosește mulți medici pentru diagnostic și terapie. Unele dintre ele au fost folosite relativ recent, în timp ce altele au fost practicate de mai bine de o duzină sau chiar sute de ani. De asemenea, în urmă cu o sută zece ani, William Conrad Roentgen a descoperit uimitoarea raze X, care au provocat o rezonanță semnificativă în lumea științifică și medicală. Și acum medicii de pe toată planeta le folosesc în practica lor. Subiectul conversației noastre de astăzi va fi razele X în medicină, vom discuta despre aplicarea lor puțin mai detaliat.

Razele X sunt una dintre varietățile de radiații electromagnetice. Ele se caracterizează prin calități de penetrare semnificative, care depind de lungimea de undă a radiației, precum și de densitatea și grosimea materialelor iradiate. În plus, razele X pot provoca strălucirea unui număr de substanțe, pot afecta organismele vii, ionizează atomii și, de asemenea, catalizează unele reacții fotochimice.

Utilizarea razelor X în medicină

Până în prezent, proprietățile razelor X le permit să fie utilizate pe scară largă în diagnosticarea cu raze X și terapia cu raze X.

Diagnosticare cu raze X

Diagnosticarea cu raze X este utilizată atunci când se efectuează:

radiografie (transmisie);
- radiografie (poza);
- fluorografie;
-Raze X și tomografie computerizată.

Fluoroscopie

Pentru a efectua un astfel de studiu, pacientul trebuie să se poziționeze între tubul cu raze X și un ecran fluorescent special. Un radiolog specialist selectează duritatea necesară a razelor X, primind pe ecran o imagine a organelor interne, precum și a coastelor.

Radiografie

Pentru acest studiu, pacientul este plasat pe o casetă care conține un film special. Aparatul cu raze X este plasat direct deasupra obiectului. Ca urmare, pe film apare o imagine negativă a organelor interne, care conține o serie de detalii fine, mai detaliate decât în ​​timpul unei examinări fluoroscopice.

Fluorografie

Acest studiu este efectuat în timpul examinărilor medicale în masă ale populației, inclusiv pentru depistarea tuberculozei. În același timp, o imagine de pe un ecran mare este proiectată pe un film special.

Tomografie

Atunci când se efectuează tomografie, razele computerizate ajută la obținerea de imagini ale organelor în mai multe locuri simultan: în secțiuni transversale de țesut special selectate. Această serie de raze X se numește tomogramă.

Tomografia computerizată

Un astfel de studiu vă permite să înregistrați secțiuni ale corpului uman folosind un scaner cu raze X. După ce datele sunt introduse în computer, obțineți o imagine în secțiune transversală.

Fiecare dintre metodele de diagnosticare enumerate se bazează pe proprietățile fasciculului de raze X pentru a ilumina filmul, precum și pe faptul că țesuturile umane și scheletul osos diferă în permeabilitate diferită la efectele lor.

Terapia cu raze X

Capacitatea razelor X de a influența țesuturile într-un mod special este folosită pentru a trata formațiunile tumorale. În același timp, calitățile ionizante ale acestei radiații sunt deosebit de vizibile atunci când sunt expuse la celule care sunt capabile de diviziune rapidă. Aceste calități sunt cele care disting celulele formațiunilor oncologice maligne.

Cu toate acestea, merită remarcat faptul că terapia cu raze X poate provoca o mulțime de reacții adverse grave. Un astfel de impact afectează în mod agresiv starea sistemului hematopoietic, endocrin și imunitar, ale cărui celule se divid foarte repede. Influența agresivă asupra acestora poate provoca semne de boală de radiații.

Efectul radiațiilor X asupra oamenilor

În timpul studiului cu raze X, medicii au descoperit că acestea pot duce la modificări ale pielii care seamănă cu o arsură solară, dar sunt însoțite de leziuni mai profunde ale pielii. Astfel de ulcere se vindecă foarte mult timp. Oamenii de știință au descoperit că astfel de leziuni pot fi evitate prin reducerea timpului și a dozei de radiații, precum și prin utilizarea unor metode speciale de ecranare și control de la distanță.

Influența agresivă a razelor X se poate manifesta și pe termen lung: modificări temporare sau permanente ale compoziției sângelui, susceptibilitate la leucemie și îmbătrânire timpurie.

Efectul razelor X asupra unei persoane depinde de mulți factori: de ce organ este iradiat și pentru cât timp. Iradierea organelor hematopoietice poate duce la afecțiuni ale sângelui, iar expunerea la organele genitale poate duce la infertilitate.

Efectuarea iradierii sistematice este plină de dezvoltarea modificărilor genetice în organism.

Prejudiciul real al razelor X în diagnosticarea cu raze X

În timpul examinării, medicii folosesc cantitatea minimă posibilă de raze X. Toate dozele de radiații îndeplinesc anumite standarde acceptabile și nu pot dăuna unei persoane. Diagnosticul cu raze X prezintă un pericol semnificativ doar pentru medicii care o efectuează. Și apoi metodele moderne de protecție ajută la reducerea la minimum a agresiunii razelor.

Cele mai sigure metode de radiodiagnostic includ radiografia extremităților, precum și radiografiile dentare. Pe locul următor al acestui rating este mamografia, urmată de tomografia computerizată, iar după aceasta este radiografia.

Pentru ca utilizarea razelor X în medicină să aducă numai beneficii unei persoane, este necesar să se efectueze cercetări cu ajutorul lor numai conform indicațiilor.

În 1895, fizicianul german Roentgen, în timp ce efectua experimente privind trecerea curentului între doi electrozi în vid, a descoperit că un ecran acoperit cu o substanță luminiscentă (sare de bariu) strălucește, deși tubul de descărcare este închis cu un ecran de carton negru - așa s-a descoperit radiația care pătrunde prin bariere opace, numite raze X cu raze X. S-a constatat că razele X, invizibile pentru om, sunt absorbite în obiectele opace, cu cât este mai puternică, cu atât numărul atomic (densitatea) barierei este mai mare, astfel încât razele X trec cu ușurință prin țesuturile moi ale corpului uman, dar sunt reținute. de oasele scheletului. Au fost proiectate surse de raze X puternice, care au făcut posibilă strălucirea prin piesele metalice și găsirea defectelor interne ale acestora.

Fizicianul german Laue a sugerat că razele X sunt aceleași radiații electromagnetice ca razele de lumină vizibilă, dar cu o lungime de undă mai scurtă și toate legile opticii le sunt aplicabile, inclusiv difracția este posibilă. În optica luminii vizibile, difracția la nivel elementar poate fi reprezentată ca reflexia luminii dintr-un sistem de șanțuri - o rețea de difracție, care are loc numai la anumite unghiuri, în timp ce unghiul de reflexie al razelor este legat de unghiul de incidență, distanța dintre șanțurile rețelei de difracție și lungimea de undă a radiației incidente. Pentru difracție, este necesar ca distanța dintre curse să fie aproximativ egală cu lungimea de undă a luminii incidente.

Laue a sugerat că razele X au o lungime de undă apropiată de distanța dintre atomii individuali din cristale, de exemplu. atomii dintr-un cristal creează o rețea de difracție pentru raze X. Razele X îndreptate către suprafața cristalului au fost reflectate pe placa fotografică, așa cum a prezis teorie.

Orice modificare a poziției atomilor afectează modelul de difracție și, studiind difracția razelor X, se poate afla aranjamentul atomilor într-un cristal și schimbarea acestui aranjament sub orice influențe fizice, chimice și mecanice asupra cristalului. .

Acum, analiza cu raze X este folosită în multe domenii ale științei și tehnologiei, cu ajutorul ei au învățat aranjarea atomilor în materialele existente și au creat noi materiale cu o structură și proprietăți date. Progresele recente în acest domeniu (nanomateriale, metale amorfe, materiale compozite) creează un domeniu de activitate pentru următoarele generații științifice.

Apariția și proprietățile razelor X

Sursa de raze X este un tub de raze X, care are doi electrozi - un catod și un anod. Când catodul este încălzit, are loc emisia de electroni, electronii emiși de catod sunt accelerați de câmpul electric și lovesc suprafața anodului. Un tub cu raze X se distinge de o lampă radio convențională (diodă) în principal printr-o tensiune de accelerare mai mare (mai mult de 1 kV).

Când un electron zboară din catod, câmpul electric îl face să zboare către anod, în timp ce viteza lui crește continuu, electronul poartă un câmp magnetic, a cărui intensitate crește odată cu viteza electronului. Ajungând la suprafața anodului, electronul este decelerat brusc și apare un impuls electromagnetic cu lungimi de undă într-un anumit interval (bremsstrahlung). Distribuția intensității radiației pe lungimi de undă depinde de materialul anodului tubului cu raze X și de tensiunea aplicată, în timp ce pe partea undelor scurte această curbă începe cu o anumită lungime de undă minimă de prag, care depinde de tensiunea aplicată. Setul de raze cu toate lungimile de undă posibile formează un spectru continuu, iar lungimea de undă corespunzătoare intensității maxime este de 1,5 ori lungimea de undă minimă.

Odată cu creșterea tensiunii, spectrul de raze X se schimbă dramatic datorită interacțiunii atomilor cu electronii de înaltă energie și a cuantelor de raze X primare. Un atom conține învelișuri de electroni interne (niveluri de energie), al căror număr depinde de numărul atomic (notat cu literele K, L, M etc.) Electronii și razele X primare scot electronii de la un nivel de energie la altul. . Apare o stare metastabilă și este necesar un salt de electroni în direcția opusă pentru trecerea la o stare stabilă. Acest salt este însoțit de eliberarea unui cuantum de energie și apariția razelor X. Spre deosebire de razele X cu spectru continuu, această radiație are o gamă de lungimi de undă foarte îngustă și o intensitate mare (radiație caracteristică) ( cm. orez.). Numărul de atomi care determină intensitatea radiației caracteristice este foarte mare, de exemplu, pentru un tub de raze X cu un anod de cupru la o tensiune de 1 kV, un curent de 15 mA, 10 14–10 15 atomi dau radiații caracteristice timp de 1 s. Această valoare este calculată ca raport dintre puterea totală a razelor X și energia cuantumului de raze X din carcasa K (seria K de radiații caracteristice de raze X). Puterea totală a radiației cu raze X în acest caz este de doar 0,1% din puterea consumată, restul se pierde, în principal din cauza trecerii la căldură.

Datorită intensității sale mari și a gamei de lungimi de undă înguste, radiația caracteristică cu raze X este principalul tip de radiație utilizat în cercetarea științifică și controlul procesului. Concomitent cu fasciculele din seria K se generează fascicule din seria L și M, care au lungimi de undă mult mai mari, dar aplicarea lor este limitată. Seria K are două componente cu lungimi de undă apropiate a și b, în ​​timp ce intensitatea componentei b este de 5 ori mai mică decât a. La rândul său, componenta a este caracterizată de două lungimi de undă foarte apropiate, intensitatea uneia fiind de 2 ori mai mare decât a celeilalte. Pentru a obține radiații cu o singură lungime de undă (radiație monocromatică), au fost dezvoltate metode speciale care folosesc dependența absorbției și difracției razelor X de lungimea de undă. O creștere a numărului atomic al unui element este asociată cu o schimbare a caracteristicilor învelișurilor de electroni și, cu cât numărul atomic al materialului anodic al tubului cu raze X este mai mare, cu atât lungimea de undă din seria K este mai mică. Cele mai utilizate tuburi cu anozi din elemente cu numere atomice de la 24 la 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) și lungimi de undă de la 2,29 la 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Pe lângă tubul de raze X, izotopii radioactivi pot fi surse de raze X, unii pot emite direct raze X, alții emit electroni și particule a care generează raze X atunci când bombardează ținte metalice. Intensitatea razelor X a surselor radioactive este de obicei mult mai mică decât cea a unui tub cu raze X (cu excepția cobaltului radioactiv, care este utilizat în detectarea defectelor și dă radiații cu o lungime de undă foarte mică - radiații g), acestea sunt de dimensiuni mici și nu necesită energie electrică. Razele X sincrotron sunt produse în acceleratoare de electroni, lungimea de undă a acestei radiații este mult mai mare decât cea obținută în tuburile de raze X (raze X moi), intensitatea acesteia este cu câteva ordine de mărime mai mare decât intensitatea tuburilor de raze X. Există și surse naturale de raze X. S-au găsit impurități radioactive în multe minerale, iar razele X de la obiecte spațiale, inclusiv stele, au fost înregistrate.

Interacțiunea razelor X cu cristalele

În studiul cu raze X al materialelor cu structură cristalină sunt analizate modelele de interferență rezultate din împrăștierea razelor X de către electronii aparținând atomilor rețelei cristaline. Atomii sunt considerați imobili, vibrațiile lor termice nu sunt luate în considerare și toți electronii aceluiași atom sunt considerați concentrați într-un punct - un nod al rețelei cristaline.

Pentru a deriva ecuațiile de bază ale difracției de raze X într-un cristal, se ia în considerare interferența razelor împrăștiate de atomii aflați de-a lungul unei linii drepte în rețeaua cristalină. O undă plană de radiație de raze X monocromatice cade asupra acestor atomi sub un unghi al cărui cosinus este egal cu 0 . Legile interferenței razelor împrăștiate de atomi sunt asemănătoare cu cele existente pentru un rețele de difracție care împrăștie radiația luminoasă în intervalul de lungimi de undă vizibile. Pentru ca amplitudinile tuturor vibratiilor sa se adune la o distanta mare de seria atomica, este necesar si suficient ca diferenta de cale a razelor provenite de la fiecare pereche de atomi vecini sa contina un numar intreg de lungimi de unda. Când distanța dintre atomi A această condiție arată astfel:

A(A – a0) = h eu

unde a este cosinusul unghiului dintre seria atomică și fasciculul deviat, h-întreg. În toate direcțiile care nu satisfac această ecuație, razele nu se propagă. Astfel, fasciculele împrăștiate formează un sistem de conuri coaxiale, a cărui axă comună este rândul atomic. Urmele de conuri pe un plan paralel cu seria atomică sunt hiperbole, iar pe un plan perpendicular pe serie sunt cercuri.

Când razele cad la un unghi constant, radiația policromatică (albă) se descompune într-un spectru de raze deviate la unghiuri fixe. Astfel, seria atomică este un spectrograf pentru raze X.

Generalizarea la o rețea atomică bidimensională (plată) și apoi la o rețea cristalină volumetrică (spațială) tridimensională oferă încă două ecuații similare, care includ unghiurile de incidență și reflectare a razelor X și distanțele dintre atomi în trei. directii. Aceste ecuații sunt numite ecuații Laue și stau la baza analizei de difracție de raze X.

Amplitudinile razelor reflectate din planuri atomice paralele se adună, iar din moment ce numărul de atomi este foarte mare, radiația reflectată poate fi fixată experimental. Condiția de reflexie este descrisă de ecuația Wulff-Bragg2d sinq = nl, unde d este distanța dintre planurile atomice adiacente, q este unghiul de privire dintre direcția fasciculului incident și aceste plane din cristal, l este razele X lungime de undă, iar n este un număr întreg numit ordinea reflexiei. Unghiul q este unghiul de incidență față de planurile atomice, care nu coincid neapărat în direcția cu suprafața probei studiate.

Au fost dezvoltate mai multe metode de analiză prin difracție cu raze X, utilizând atât radiația cu spectru continuu, cât și radiația monocromatică. În acest caz, obiectul studiat poate fi staționar sau în rotație, poate consta dintr-un cristal (monocristal) sau mai multe (policristal), radiația difractată poate fi înregistrată folosind un film de raze X plat sau cilindric sau un detector de raze X în mișcare. în jurul circumferinței însă, în toate cazurile, în timpul experimentului și interpretării rezultatelor, se folosește ecuația Wulf-Bragg.

Analiza cu raze X în știință și tehnologie

Odată cu descoperirea difracției de raze X, cercetătorii au la dispoziție o metodă care le permite să studieze dispunerea atomilor individuali și modificările acestui aranjament sub influențe externe, fără microscop.

Principala aplicație a razelor X în știința fundamentală este analiza structurală, adică. stabilirea aranjamentului spațial al atomilor individuali într-un cristal. Pentru a face acest lucru, se cultivă monocristale și se efectuează analize cu raze X, studiind atât locația, cât și intensitatea reflexiilor. Acum au fost determinate nu numai structurile metalelor, ci și substanțele organice complexe, în care celulele elementare conțin mii de atomi.

În mineralogie, structurile a mii de minerale au fost determinate prin analiză cu raze X și au fost create metode exprese de analiză a materiilor prime minerale.

Metalele au o structură cristalină relativ simplă, iar metoda cu raze X face posibilă studierea modificărilor acesteia în timpul diferitelor tratamente tehnologice și crearea bazelor fizice ale noilor tehnologii.

Compoziția de fază a aliajelor este determinată de aranjarea liniilor pe modele de raze X, numărul, dimensiunea și forma cristalelor sunt determinate de lățimea lor, orientarea cristalelor (textura) este determinată de distribuția intensității în conul de difracție.

Aceste tehnici sunt folosite pentru a studia procesele din timpul deformării plastice, inclusiv zdrobirea cristalelor, apariția tensiunilor interne și a imperfecțiunilor structurii cristaline (dislocații). Când materialele deformate sunt încălzite, se studiază reducerea tensiunilor și creșterea cristalelor (recristalizare).

Când analiza cu raze X a aliajelor determină compoziția și concentrația soluțiilor solide. Când apare o soluție solidă, distanțele interatomice și, în consecință, distanțele dintre planurile atomice se modifică. Aceste modificări sunt mici, prin urmare, au fost dezvoltate metode speciale de precizie pentru măsurarea perioadelor rețelei cristaline cu o precizie de două ordine de mărime mai mare decât acuratețea măsurării cu metodele convenționale cu raze X. Combinația de măsurători precise ale perioadelor rețelei cristaline și analiza de fază face posibilă construirea limitelor regiunilor de fază pe diagrama de stare. Metoda cu raze X poate detecta și stări intermediare între soluțiile solide și compușii chimici - soluții solide ordonate în care atomii de impurități nu sunt aranjați aleatoriu, ca în soluțiile solide și, în același timp, nu cu o ordine tridimensională, ca în chimie. compuși. Există linii suplimentare pe modelele de raze X ale soluțiilor solide ordonate; interpretarea modelelor de raze X arată că atomii de impurități ocupă anumite locuri în rețeaua cristalină, de exemplu, la vârfurile unui cub.

În timpul stingerii unui aliaj care nu suferă transformări de fază, poate apărea o soluție solidă suprasaturată, iar la încălzirea ulterioară sau chiar menținerea la temperatura camerei, soluția solidă se descompune cu eliberarea de particule dintr-un compus chimic. Acesta este efectul îmbătrânirii și apare pe radiografii ca o modificare a poziției și lățimii liniilor. Studiul îmbătrânirii este deosebit de important pentru aliajele neferoase, de exemplu, îmbătrânirea transformă un aliaj de aluminiu moale, întărit într-un material structural durabil, duraluminiu.

Studiile cu raze X ale tratamentului termic al oțelului sunt de cea mai mare importanță tehnologică. În timpul întăririi (răcirii rapide) a oțelului, are loc o tranziție de fază austenită-martensită fără difuzie, care duce la o schimbare a structurii de la cubic la tetragonal, adică. celula unitară ia forma unei prisme dreptunghiulare. Pe radiografii, aceasta apare ca o extindere a liniilor și separarea unor linii în două. Motivele acestui efect nu sunt doar o modificare a structurii cristaline, ci și apariția unor tensiuni interne mari din cauza dezechilibrului termodinamic al structurii martensitice și a răcirii rapide. În timpul călirii (încălzirea oțelului întărit), liniile de pe modelele de raze X se îngustează, acest lucru se datorează revenirii la structura de echilibru.

În ultimii ani, studiile cu raze X ale prelucrării materialelor cu fluxuri de energie concentrată (raze laser, unde de șoc, neutroni și impulsuri de electroni) au căpătat o mare importanță; au necesitat noi tehnici și au produs noi efecte de raze X. De exemplu, sub acțiunea fasciculelor laser asupra metalelor, încălzirea și răcirea au loc atât de repede încât în ​​metal, atunci când sunt răcite, cristalele au timp să crească doar la o dimensiune de mai multe celule unitare (nanocristale) sau nu au timp să se formeze. deloc. Un astfel de metal după răcire arată ca unul obișnuit, dar nu oferă linii clare pe modelul de raze X, iar razele X reflectate sunt distribuite pe întreaga gamă de unghiuri de privire.

După iradierea cu neutroni, pe modelele de raze X apar pete suplimentare (maxime difuze). Dezintegrarea radioactivă provoacă, de asemenea, efecte specifice de raze X asociate cu o modificare a structurii, precum și faptul că proba studiată devine în sine o sursă de raze X.