Rentgensko sevanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Rentgen človeških pljuč
Človeški rentgenski posnetek prsnega koša (čelna projekcija).

Rentgensko sevanje - fotoni energije elektromagnetnega valovanja, ki ležijo v elektromagnetnem spektru med ultravijoličnim sevanjem in gama sevanjem (od približno 10 eV do nekaj MeV), ki ustrezajo valovnim dolžinam od ~ 3 do 10 ~ 10 -2 Å (od ~ 10. februarja). do ~ 10 −3 nm ) [1] .

Položaj na lestvici elektromagnetnih valov

Energetski razponi rentgenskega in gama sevanja se prekrivajo v širokem razponu energij. Obe vrsti sevanja sta elektromagnetno sevanje in sta enakovredni pri isti energiji fotona. Terminološka razlika je v načinu pojavljanja - rentgenski žarki se oddajajo s sodelovanjem elektronov (bodisi vezanih v atomih ali prostih), medtem ko se gama sevanje oddaja v procesih deekscitacije atomskih jeder . Fotone lastnost (to je oddaja med prehodi v elektronskih lupin atomov) rentgensko sevanje ima energijo 10 eV do 250 keV, kar ustreza sevanja s frekvenco od 3⋅10 16 do 3⋅10 19 Hz in a valovna dolžina 0,005-100 nm (splošno sprejeta definicija ni spodnje meje obsega rentgenskih žarkov na lestvici valovnih dolžin). Mehki rentgenski žarki imajo najnižjo energijo fotonov in frekvenco sevanja (in najdaljšo valovno dolžino), trdi rentgenski žarki pa najvišjo energijo fotonov in frekvenco sevanja (in najnižjo valovno dolžino). Trdi rentgenski žarki se uporabljajo predvsem za industrijske namene. Konvencionalna meja med mehkim in trdim rentgenskim sevanjem na lestvici valovnih dolžin je približno 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .

Laboratorijski viri

Rentgenske cevi

Shematski prikaz rentgenske cevi. X - X-žarki K - katodo , A - anode (včasih imenovana anti-katoda), C - odvod toplote, U h - katodo žarilno napetost , U - pospeševalni napetosti, W - vodno hlajenje dovod W ven - voda izhod za hlajenje

Rentgenski žarki nastanejo z močnim pospeševanjem nabitih delcev ( zavorno svetlobo ) ali z visokoenergetskimi prehodi v elektronskih lupinah atomov ali molekul . Oba učinka se uporabljata v rentgenskih ceveh . Glavna konstrukcijska elementa takšnih cevi sta kovinska katoda in anoda (prej imenovana tudi antikatoda ). V rentgenskih ceveh se elektroni, ki jih oddaja katoda , pospešijo zaradi razlike električnega potenciala med anodo in katodo (rentgenski žarki se ne oddajajo, ker je pospešek prenizek) in zadenejo anodo, kjer se nenadoma upočasnijo. . V tem primeru nastane zavorno sevanje v rentgenskem območju z neprekinjenim spektrom in sočasno se elektroni izločijo iz notranjih elektronskih lupin anodnih atomov. Drugi elektroni atoma iz njegovih zunanjih lupin se premikajo na prazna mesta (prosta mesta) v lupinah, kar vodi do oddajanja rentgenskih žarkov z linearnim energijskim spektrom, značilnim za anodni material ( karakteristično sevanje , katerega frekvence so določene z Moseleyjevim zakonom : kjer je Z atomsko število anodnega elementa, A in B sta konstanti za določeno vrednost glavnega kvantnega števila n elektronske lupine). Trenutno so anode izdelane predvsem iz keramike , del, kjer udarijo elektroni, pa je iz molibdena ali bakra .

Crookesova cev

V procesu pospeševanja-pojemanja gre le približno 1 % kinetične energije elektrona v rentgenske žarke, 99 % energije se pretvori v toploto.

Pospeševalniki delcev

Rentgenske žarke je mogoče dobiti tudi v pospeševalnikih nabitih delcev . Tako imenovano sinhrotronsko sevanje nastane, ko se snop delcev odkloni v magnetnem polju , zaradi česar doživijo pospešek v smeri, pravokotni na njihovo gibanje. Sinhrotronsko sevanje ima neprekinjen spekter z zgornjo mejo. Z ustrezno izbranimi parametri (magnetno polje in energija delcev) lahko dobimo rentgenske žarke tudi v spektru sinhrotronskega sevanja.

Valovne dolžine ( nm , v števcu) in energija ( eV , v imenovalcu) spektralnih linij serije K za številne anodne materiale [2]
Črtni simboli
(v zapisu Sigban )
Kα₁
(prehod L 3 → K)
Kα₂
(prehod L 2 → K)
Kβ₁
(prehod M 3 → K)
5
(prehod M 5 → K)
K (rob)
Kr 0,22897260 (30) 5414,8045 (71) 0,22936510 (30) 5405,5384 (71) 0,20848810 (40) 5946,823 (11) 0,2070901 (89) 5986,97 (26) 0,2070193 (14) 5989,017 (40)
Fe 0,1936041 (3) 6404,0062 (99) 0,1939973 (3) 6391,0264 (99) 0,1756604 (4) 7058,175 (16) 0,174423 (15) 7108,26 (60) 0,1743617 (5) 7110,747 (20)
Co 0,17889960 (10) 6930,3780 (39) 0,17928350 (10) 6915,5380 (39) 0,16208260 (30) 7649,445 (14) 0,1608934 (44) 7705,98 (21) 0,16083510 (42) 7708,776 (20)
Ni 0,16579300 (10) 7478,2521 (45) 0,16617560 (10) 7461,0343 (45) 0,15001520 (30) 8264,775 (17) 0,1488642 (59) 8328,68 (33) 0,14881401 (36) 8331,486 (20)
Cu 0,154059290 (50) 8047,8227 (26) 0,154442740 (50) 8027,8416 (26) 0,13922340 (60) 8905,413 (38) 0,1381111 (44) 8977,14 (29) 0,13805971 (31) 8980,476 (20)
Zr 0,07859579 (27) 15774,914 (54) 0,07901790 (25) 15690,645 (50) 0,07018008 (30) 17666,578 (76) 0,069591 (15) 17816,1 (38) 0,06889591 (31) 17995,872 (80)
Mo 0,070931715 (41) 17479,372 (10) 0,0713607 (12) 17374,29 (29) 0,0632303 (13) 19608,34 (42) 0,0626929 (74) 19776,4 (23) 0,061991006 (62) 20000,351 (20)
Ag 0,055942178 (76) 22162,917 (30) 0,05638131 (26) 21990,30 (10) 0,04970817 (60) 24942,42 (30) 0,0493067 (30) 25145,5 (15) 0,04859155 (57) 25515,59 (30)
W 0,020901314 (18) 59318,847 (50) 0,021383304 (50) 57981,77 (14) 0,01843768 (30) 67245,0 (11) 0,0183095 (10) 67715,9 (38) 0,0178373 (15) 69508,5 (58)

Interakcija s snovjo

Valovna dolžina rentgenskih žarkov je primerljiva z velikostjo atomov, zato ni materiala, iz katerega bi naredili rentgensko lečo . Poleg tega se rentgenski žarki skoraj ne odbijajo, če so pravokotni na površino. Kljub temu so bile v rentgenski optiki najdene metode za konstruiranje optičnih elementov za rentgenske žarke. Še posebej se je izkazalo, da jih diamant dobro odraža [3] .

Rentgenski žarki lahko prodrejo v snov, različne snovi pa jih absorbirajo na različne načine. Absorpcija rentgenskih žarkov je njihova najpomembnejša lastnost pri rentgenski fotografiji. Intenzivnost rentgenskih žarkov se eksponentno zmanjšuje, odvisno od prevožene razdalje v absorbirajoči plasti ( I = I 0 e -kd , kjer je d debelina plasti, koeficient k je sorazmeren z Z ³λ³ , Z je atomsko število elementa , λ je valovna dolžina).

Absorpcija nastane kot posledica fotoabsorpcije ( fotoelektrični učinek ) in Comptonovega sipanja :

  • Fotoabsorpcijo razumemo kot proces izbijanja elektrona iz lupine atoma s fotonom, ki zahteva, da je energija fotona večja od določene minimalne vrednosti. Če upoštevamo verjetnost absorpcijskega dejanja, odvisno od energije fotona, potem ko je dosežena določena energija, se (verjetnost) močno poveča do svoje največje vrednosti. Pri višjih energijah se verjetnost nenehno zmanjšuje. Zaradi te odvisnosti se pravi, da obstaja meja absorpcije . Mesto elektrona, ki je izbil med dejanjem absorpcije, zasede drug elektron, medtem ko se oddaja sevanje z nižjo energijo fotona, t.i. fluorescenčni proces.
  • Rentgenski foton lahko sodeluje ne le z vezanimi elektroni, ampak tudi s prostimi in šibko vezanimi elektroni. Pride do sipanja fotonov z elektroni – t.i. Comptonovo sipanje . Odvisno od kota sipanja se valovna dolžina fotona za določeno količino poveča in s tem se energija zmanjša. Comptonovo sipanje v primerjavi s fotoabsorpcijo postane prevladujoče pri višjih energijah fotonov [4] .

Biološki vpliv

Rentgenski žarki so ionizirajoči . Prizadene tkiva živih organizmov in lahko povzroči sevalno bolezen , sevalne opekline in maligne tumorje . Zaradi tega je treba pri delu z rentgenskimi žarki upoštevati zaščitne ukrepe . Menijo, da je škoda neposredno sorazmerna z absorbirano dozo sevanja. Rentgenski žarki so mutageni .

registracija

  • Luminescenčni učinek. Rentgenski žarki lahko povzročijo sijaj nekaterih snovi (fluorescenca). Ta učinek se uporablja v medicinski diagnostiki za fluoroskopijo (opazovanje slike na fluorescenčnem zaslonu) in rentgensko fotografijo ( radiografija ). Medicinski fotografski filmi se praviloma uporabljajo v kombinaciji z intenzivnimi zasloni, ki vključujejo rentgenske fosforje, ki pod vplivom rentgenskih žarkov svetijo in osvetljujejo fotoobčutljivo fotografsko emulzijo . Metoda pridobivanja slike v naravni velikosti se imenuje radiografija. S fluorografijo dobimo sliko v zmanjšanem merilu. Luminiscenčno snov ( scintilator ) je mogoče optično povezati z elektronskim detektorjem svetlobnega sevanja ( fotopomnoževalna cev , fotodioda itd.), nastala naprava se imenuje scintilacijski detektor . Omogoča vam registracijo posameznih fotonov in merjenje njihove energije, saj je energija scintilacijske bliskavice sorazmerna z energijo absorbiranega fotona.
  • Fotografski učinek. Rentgenski žarki, tako kot običajna svetloba, lahko neposredno osvetlijo fotografsko emulzijo. Vendar brez fluorescenčne plasti to zahteva 30-100-krat večjo izpostavljenost (tj. odmerek). Prednost te metode (znane kot radiografija brez zaslona ) je, da je slika ostrejša.
  • V polprevodniških detektorjih rentgenski žarki ustvarijo pare elektronske luknje v pn spoju diode, povezane v smeri blokiranja. V tem primeru teče majhen tok , katerega amplituda je sorazmerna z energijo in intenzivnostjo vpadnega rentgenskega sevanja. V impulznem načinu je možno registrirati posamezne rentgenske fotone in meriti njihovo energijo.
  • Posamezne fotone rentgenskega sevanja lahko posnamemo tudi s plinom napolnjenimi detektorji ionizirajočega sevanja ( Geigerjev števec , proporcionalna komora itd.).

Aplikacija

  • S pomočjo rentgenskih žarkov je mogoče "osvetliti" človeško telo, zaradi česar je mogoče dobiti sliko kosti , ter v sodobnih napravah in notranjih organih (glej tudi radiografijo in fluoroskopijo ). V tem primeru se uporablja dejstvo, da ima element kalcij ( Z = 20 ), ki ga večinoma vsebujejo kosti, atomsko število veliko višje od atomskih številk elementov, ki sestavljajo mehka tkiva, in sicer vodika ( Z = 1 ), ogljik ( Z = 6 ), dušik ( Z = 7 ), kisik ( Z = 8 ). Poleg običajnih naprav, ki dajejo dvodimenzionalno projekcijo preučevanega predmeta, obstajajo računalniški tomografi, ki vam omogočajo, da dobite tridimenzionalno sliko notranjih organov.
  • X - žarkov terapija je del obsevanjem , ki pokriva teorijo in prakso terapevtske uporabe rentgenskih žarkov, ustvarjenih z napetostjo na rentgenski cevi 20-60 kV in razdalje med nogama stransko od 3-7 cm (rentgenska terapija kratkega dosega) ali pri napetosti 180-400 kV in goriščni razdalji kože 30-150 cm (zunanja rentgenska terapija). Rentgensko terapijo izvajamo predvsem za površinsko locirane tumorje in za nekatere druge bolezni, vključno s kožnimi boleznimi (Bucca ultra-soft rentgen).
  • Kriptografija je generiranje naključnih zaporedij.

Naravno rentgensko sevanje

Na Zemlji se elektromagnetno sevanje v rentgenskem območju tvori kot posledica ionizacije atomov s sevanjem, ki nastane med radioaktivnim razpadom, kot posledica Comptonovega učinka gama sevanja, ki se pojavi med jedrskimi reakcijami, in kozmičnega sevanja. . Radioaktivni razpad vodi tudi do neposredne emisije rentgenskih kvantov, če povzroči preureditev elektronske lupine razpadajočega atoma (na primer med zajemom elektrona ). Rentgensko sevanje, ki se pojavlja na drugih nebesnih telesih, ne doseže površine Zemlje , saj ga atmosfera popolnoma absorbira. Preučujejo ga satelitski rentgenski teleskopi , kot sta Chandra in XMM-Newton .

Poleg tega so sovjetski znanstveniki leta 1953 odkrili, da se rentgenski žarki lahko ustvarijo zaradi triboluminiscence, ki se pojavi v vakuumu na mestu, kjer se lepilni trak drži podlage, na primer s stekla ali pri odvijanju zvitka [5] [6] [7] . Leta 2008 so ameriški znanstveniki izvedli poskuse, ki so pokazali, da je v nekaterih primerih moč sevanja zadostna, da pusti rentgensko sliko na fotografskem papirju [5] [8] .

Zgodovina odkritij

Fotografija (rentgen) roke Alberta von Köllikerja, ki jo je posnel V.K.

Rentgenske žarke je odkril Wilhelm Konrad Röntgen . Ko je eksperimentalno preučeval katodne žarke , je 8. novembra 1895 zvečer opazil, da je v temni sobi začel žareti karton, prekrit s platinasto modrim barijem , ki je bil blizu katodne cevi. V naslednjih nekaj tednih je preučeval vse osnovne lastnosti na novo odkritega sevanja, ki ga je poimenoval rentgenski žarki ( "X-žarki" ). 22. decembra 1895 je Röntgen prvič javno objavil svoje odkritje na Inštitutu za fiziko Univerze v Würzburgu [9] . 28 декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» [10] .

Но ещё за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение , однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм [ источник не указан 927 дней ] .

По некоторым сообщениям, опубликованным лишь в 1896 году [11] [12] , и в ссылающихся на них источниках [13] , лучи, обладающие фотохимическим действием, были за 11 лет до Рентгена описаны директором и преподавателем физики Бакинского реального училища Егором Семёновичем Каменским [14] (1838—1895), председателем Бакинского кружка любителей фотографии. Секретарь этого кружка А. М. Мишон якобы также проводил опыты в области фотографии, аналогичные рентгеновым. Однако в результате рассмотрения вопроса о приоритете на заседании Комиссии по истории физико-математических наук АН СССР 22 февраля 1949 года было принято решение, «признавая имеющийся в наличии материал по вопросу об открытии Х-лучей недостаточным для обоснования приоритета Каменского, считать желательным продолжить поиски более веских и достоверных данных» [15]

Некоторые источники [13] называют первооткрывателем рентгеновских лучей австро-венгерского физика Ивана Павловича Пулюя (родом из Галиции), который начал интересоваться разрядами в вакуумных трубках за 10 лет до опубликования открытия Рентгеном. По этим утверждениям, Пулюй заметил лучи, которые проникают через непрозрачные предметы и засвечивают фотопластинки. В 1890 году им были якобы получены и даже опубликованы в европейских журналах фотографии скелета лягушки и детской руки, однако дальнейшим изучением лучей и получением патента он не занимался [13] . Это мнение опровергается в посвящённой Пулюю монографии Р. Гайды и Р. Пляцко [16] , где подробно анализируются истоки и развитие этой легенды, и в других работах по истории физики [17] . Пулюй действительно сделал большой вклад в изучение физики рентгеновского излучения и в методику его применения (например, он первым обнаружил появление электропроводности в газах, облучаемых рентгеновскими лучами), но уже после открытия Рентгена [16] .

Катодно-лучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом . При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок [ источник не указан 927 дней ] . Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодно-лучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. Впоследствии сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёлликера , которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа). За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи , хотя словосочетания, аналогичные русскому ( англ. Roentgen rays и т. п.) также употребляются. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе .

См. также

Научно-популярная литература

Примечания

  1. 1 2 Блохин М.А. Рентгеновское излучение // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — С. 375—377. — 704 с. — 40 000 экз.ISBN 5-85270-087-8 .
  2. Deslattes RD et al. X-Ray Transition Energies Database: NIST Standard Reference Database 128 . September 2005. DOI:10.18434/T4859Z.
  3. Юрий Ерин. Подтверждена высокая отражательная способность алмаза в диапазоне жесткого рентгеновского излучения . Элементы — новости науки (3 марта 2010). Дата обращения: 11 мая 2010. Архивировано 27 августа 2011 года.
  4. Рассеяние рентгеновского излучения на слоистых наносистемах с шероховатыми интерфейсами . — Наносистемы, 2012
  5. 1 2 Липкая лента оказалась источником рентгеновского излучения . Наука и техника . Lenta.ru (23 октября 2008). Дата обращения: 6 июля 2020. Архивировано 24 октября 2008 года.
  6. Карасев В. В., Кротова Н. А., Дерягин Б. В. Исследование электронной эмиссии при отрыве пленки высокополимера от стекла в вакууме // Доклады Академии Наук СССР. — М. , 1953. — Т. 88 , № 5 . — С. 777—780 .
  7. Карасев В. В., Кротова Н. А., Дерягин Б. В. Исследование газового разряда при отрыве пленки высокополимера от твердой подкладки // Доклады Академии Наук СССР. — М. , 1953. — Т. 89 , № 1 . — С. 109—112 .
  8. Kenneth Chang. Scotch Tape Unleashes X-Ray Power (англ.) . The New York Times (23 October 2008). Дата обращения: 6 июля 2020. Архивировано 30 сентября 2017 года.
  9. Манолов К., Тютюнник В. Биография атома. Атом — от Кембриджа до Хиросимы. — Переработанный пер. с болг.. — М. : Мир , 1984. — С. 17—18. — 246 с.
  10. WC Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
  11. « Природа и люди ». — № 28, 1896.
  12. Каспий. — Газета. — Баку, 1896.
  13. 1 2 3 Отечественная рентгенология (недоступная ссылка) . Рентгенодиагностика . Дата обращения: 16 февраля 2019. Архивировано 17 апреля 2012 года.
  14. В некоторых источниках ошибочно назван Евгением.
  15. В Комиссии по истории физико-математических наук // Вестник АН СССР. — 1949. — Т. 19 , вып. 4 . — С. 83—84 .
  16. 1 2 Гайда Р., Пляцко Р. Іван Пулюй. 1845—1918: Життєписно-бібліографічний нарис / Наукове товариство імені Шевченка у Львові / Олег Купчинський (відп. ред.). — Львів. — 1998. — 284 с. — (Визначні діячі НПШ; 7). — На обкл. автор не зазначений. — ISBN 5-7707-8500-4 .
  17. Фіалков Л. Іван Пулюй ніколи не спростовував відкриття Рентгена (укр.) // Вісник НАНУ. — 1996. — Вип. 9—10 . — С. 93—95 .

Ссылки