Reklaam portaalis

Röntgenikiirguse omadused. Mis on röntgenikiirgus ja kuidas seda kasutatakse meditsiinis Röntgenikiirgus

Röntgenikiirgus mängib aatominähtuste uurimisel ja praktilisel kasutamisel üht olulisemat rolli. Tänu nende uurimistööle tehti palju avastusi ja töötati välja meetodid ainete analüüsimiseks, mida kasutatakse erinevates valdkondades. Siin käsitleme ühte röntgenikiirte tüüpidest - iseloomulikke röntgenikiirgusid.

Röntgenikiirguse olemus ja omadused

Röntgenkiirgus on elektromagnetvälja oleku kõrgsageduslik muutus, mis levib kosmoses kiirusega umbes 300 000 km / s, see tähendab elektromagnetlaineid. Elektromagnetilise kiirguse ulatuse skaalal paiknevad röntgenikiirgus lainepikkuste vahemikus ligikaudu 10–8 kuni 5∙10–12 meetrit, mis on mitu suurusjärku lühem kui optilised lained. See vastab sagedustele 3∙10 16 kuni 6∙10 19 Hz ja energiatele 10 eV kuni 250 keV ehk 1,6∙10 -18 kuni 4∙10 -14 J. Tuleb märkida, et sagedusvahemike piirid on elektromagnetkiirgus on oma kattuvuse tõttu pigem tavapärane.

Kas kiirendatud laetud osakeste (kõrge energiaga elektronide) koostoime elektri- ja magnetväljadega ning aine aatomitega.

Röntgeni footoneid iseloomustavad suured energiad ning kõrge läbitungimis- ja ioniseerimisvõime, eriti kõvade röntgenikiirte puhul, mille lainepikkus on alla 1 nanomeetri (10–9 m).

Röntgenikiirgus interakteerub ainega, ioniseerides selle aatomeid, fotoelektrilise efekti (fotoabsorptsioon) ja ebajärjekindla (Comptoni) hajumise protsessides. Fotoabsorptsiooni käigus kannab röntgenfooton, mis neeldub aatomi elektroni, talle energiat. Kui selle väärtus ületab elektroni sidumisenergiat aatomis, siis see lahkub aatomist. Komptoni hajumine on iseloomulik kõvematele (energilistele) röntgenfootonitele. Osa neeldunud footoni energiast kulub ionisatsioonile; sel juhul kiirgab primaarse footoni suuna suhtes teatud nurga all sekundaarne, madalama sagedusega.

Röntgenkiirguse tüübid. Bremsstrahlung

Kiirte saamiseks kasutatakse klaasist vaakumpudeleid, mille sees asuvad elektroodid. Potentsiaalide erinevus elektroodide vahel peab olema väga suur – kuni sadu kilovolte. Vooluga kuumutatud volframkatoodil toimub termiooniline emissioon, see tähendab, et sellest eralduvad elektronid, mis potentsiaalide erinevusest kiirendatuna pommitavad anoodi. Nende interaktsiooni tulemusena anoodi (mida mõnikord nimetatakse antikatoodiks) aatomitega sünnivad röntgenfootonid.

Olenevalt sellest, milline protsess viib footoni sünnini, on olemas sellised röntgenkiirguse tüübid nagu bremsstrahlung ja iseloomulikud.

Elektronid võivad anoodiga kohtudes aeglustada, st kaotada energiat oma aatomite elektriväljades. See energia eraldub röntgeni footonite kujul. Sellist kiirgust nimetatakse bremsstrahlungiks.

On selge, et pidurdustingimused on üksikute elektronide puhul erinevad. See tähendab, et erinevad kogused nende kineetilisest energiast muundatakse röntgenikiirguseks. Selle tulemusena hõlmab bremsstrahlung erineva sagedusega ja vastavalt ka lainepikkusega footoneid. Seetõttu on selle spekter pidev (pidev). Mõnikord nimetatakse seda ka "valgeteks" röntgenikiirgusteks.

Bremsstrahlung footoni energia ei tohi ületada seda genereeriva elektroni kineetilist energiat, nii et bremsstrahlungi maksimaalne sagedus (ja väikseim lainepikkus) vastab anoodile langevate elektronide kineetilise energia suurimale väärtusele. Viimane sõltub elektroodidele rakendatud potentsiaalide erinevusest.

On teist tüüpi röntgenikiirgus, mis pärineb erinevast protsessist. Seda kiirgust nimetatakse iseloomulikuks ja me peatume sellel üksikasjalikumalt.

Kuidas tekivad iseloomulikud röntgenikiirgused

Jõudnud antikatoodini, võib kiire elektron tungida aatomi sisse ja ühelt madalamalt orbitaalilt välja lüüa mis tahes elektroni, st anda sellele üle energia, mis on piisav potentsiaalse barjääri ületamiseks. Kui aga aatomis on elektronide poolt hõivatud kõrgemad energiatasemed, siis tühjaks jäänud koht tühjaks ei jää.

Tuleb meeles pidada, et aatomi elektrooniline struktuur, nagu iga energiasüsteem, püüab energiat minimeerida. Knockouti tulemusena tekkinud vakants täidetakse elektroniga ühelt kõrgemalt tasemelt. Selle energia on kõrgem ja madalamal tasemel kiirgab see iseloomuliku röntgenikiirguse kvanti kujul ülejääki.

Aatomi elektrooniline struktuur on elektronide võimalike energiaseisundite diskreetne kogum. Seetõttu võivad elektronide vabade kohtade asendamisel eralduvad röntgenfootonid omada ka ainult rangelt määratletud energiaväärtusi, mis peegeldavad taseme erinevust. Selle tulemusena on iseloomuliku röntgenikiirguse spekter mitte pidev, vaid joontüüpi. Selline spekter võimaldab iseloomustada anoodi ainet – sellest ka nende kiirte nimi. Just spektraalsete erinevuste tõttu on selge, mida mõeldakse bremsstrahlungi ja iseloomulike röntgenikiirte all.

Mõnikord ei lase üleliigset energiat aatom välja, vaid kulutatakse kolmanda elektroni väljalöömiseks. See protsess – nn Augeri efekt – toimub tõenäolisemalt siis, kui elektronide sidumise energia ei ületa 1 keV. Vabanenud Augeri elektroni energia sõltub aatomi energiatasemete struktuurist, seega on ka selliste elektronide spektrid diskreetsed.

Iseloomuliku spektri üldvaade

Röntgenikiirguse spektraalmustris on kitsad iseloomulikud jooned koos pideva bremsstrahlung-spektriga. Kui kujutame spektrit intensiivsuse ja lainepikkuse (sageduse) graafikuna, näeme joonte asukohtades teravaid piike. Nende asukoht sõltub anoodi materjalist. Need maksimumid on olemas mis tahes potentsiaalide erinevuse korral - kui on röntgenikiirgus, on alati ka piigid. Pinge kasvades toru elektroodidel suureneb nii pideva kui ka iseloomuliku röntgenkiirguse intensiivsus, kuid piikide asukoht ja nende intensiivsuste suhe ei muutu.

Röntgenispektrite piigid on olenemata elektronidega kiiritatud antikatoodi materjalist ühesuguse kujuga, kuid erinevate materjalide puhul paiknevad need erinevatel sagedustel, ühinedes järjestikku vastavalt sagedusväärtuste lähedusele. Sarjade endi vahel on sageduste erinevus palju olulisem. Maksimumite kuju ei sõltu kuidagi sellest, kas anoodimaterjal kujutab endast puhast keemilist elementi või on tegemist kompleksainega. Viimasel juhul asetsevad selle koostisosade iseloomulikud röntgenispektrid lihtsalt üksteise peale.

Keemilise elemendi aatomarvu suurenemisega nihkuvad kõik selle röntgenispektri jooned sageduse suurenemise suunas. Spekter säilitab oma vormi.

Moseley seadus

Iseloomulike joonte spektraalse nihke nähtuse avastas eksperimentaalselt inglise füüsik Henry Moseley 1913. aastal. See võimaldas tal seostada spektri maksimumide sagedusi keemiliste elementide järjekorranumbritega. Seega saab iseloomuliku röntgenikiirguse lainepikkust, nagu selgus, selgelt korreleerida konkreetse elemendiga. Üldiselt saab Moseley seaduse kirjutada järgmiselt: √f = (Z - S n)/n√R, kus f on sagedus, Z on elemendi järgarv, S n on sõelumiskonstant, n on põhikvant arv ja R on Rydbergi konstant. See seos on lineaarne ja kuvatakse Moseley diagrammil sirgjoonte seeriana iga n väärtuse jaoks.

N väärtused vastavad iseloomulike röntgenikiirte piikide üksikutele seeriatele. Moseley seadus lubab määrata kõvade elektronidega kiiritatud keemilise elemendi seerianumbri röntgenspektri maksimumide mõõdetud lainepikkuste järgi (need on üheselt seotud sagedustega).

Keemiliste elementide elektronkestade struktuur on identne. Sellele viitab röntgenkiirguse iseloomuliku spektri nihkemuutuse monotoonsus. Sagedusnihe ei peegelda mitte struktuurseid, vaid energiaerinevusi elektronkihtide vahel, mis on iga elemendi jaoks ainulaadsed.

Moseley seaduse roll aatomifüüsikas

Moseley seaduses väljendatud rangest lineaarsest suhtest on väikseid kõrvalekaldeid. Need on seotud esiteks mõne elemendi elektronkestade täitumisjärjekorra iseärasustega ja teiseks elektronide liikumise relativistlike mõjudega rasketes aatomites. Lisaks võib neutronite arvu muutumisel tuumas (nn isotoopnihe) joonte asend veidi muutuda. See efekt võimaldas üksikasjalikult uurida aatomi struktuuri.

Moseley seaduse tähendus on äärmiselt suur. Selle järjekindel rakendamine Mendelejevi perioodilise süsteemi elementidele pani paika seerianumbri suurendamise mustri vastavalt iseloomulike maksimumide igale väikesele nihkele. See aitas kaasa elementide järjekorraarvu füüsilise tähenduse küsimuse selgitamisele. Z väärtus ei ole lihtsalt arv: see on tuuma positiivne elektrilaeng, mis on tuuma moodustavate osakeste positiivsete ühikuliste laengute summa. Elementide õige paigutus tabelis ja tühjade positsioonide olemasolu selles (siis olid need veel olemas) sai võimsa kinnituse. Perioodilise seaduse kehtivus tõestati.

Lisaks sai Moseley seadusest alus, millel tekkis terve eksperimentaalsete uuringute valdkond - röntgenspektromeetria.

Aatomi elektronkestade struktuur

Tuletagem lühidalt meelde, kuidas elektron on paigutatud. See koosneb kestadest, mida tähistatakse tähtedega K, L, M, N, O, P, Q või numbritega 1 kuni 7. Kestis olevaid elektrone iseloomustavad samad põhijooned kvantarv n, mis määrab võimalikud energiaväärtused. Väliskestes on elektronide energia suurem ja väliselektronide ionisatsioonipotentsiaal vastavalt väiksem.

Kest sisaldab ühte või mitut alamtasandit: s, p, d, f, g, h, i. Igas kestas suureneb alamtasandite arv eelmisega võrreldes ühe võrra. Elektronide arv igal alamtasemel ja igas kestas ei tohi ületada teatud väärtust. Neid iseloomustab lisaks põhikvantarvule ka orbiidi elektronpilve sama väärtus, mis määrab kuju. Alamtasemed on märgistatud kestaga, kuhu need kuuluvad, näiteks 2s, 4d jne.

Alamtasand sisaldab, mis on seatud lisaks põhi- ja orbitaalile veel ühe kvantarvuga - magnetilise, mis määrab elektroni orbitaalimpulsi projektsiooni magnetvälja suunale. Ühel orbitaalil võib olla mitte rohkem kui kaks elektroni, mis erinevad neljanda kvantarvu - spinni - väärtusest.

Mõelgem üksikasjalikumalt, kuidas tekib iseloomulik röntgenikiirgus. Kuna seda tüüpi elektromagnetkiirguse päritolu on seotud aatomi sees toimuvate nähtustega, on kõige mugavam seda täpselt kirjeldada elektrooniliste konfiguratsioonide lähenduses.

Iseloomulike röntgenikiirte tekkemehhanism

Niisiis on selle kiirguse põhjuseks elektronide vabade kohtade teke sisekestes, mis on tingitud suure energiaga elektronide tungimisest sügavale aatomisse. Tõenäosus, et kõva elektron interakteerub, suureneb elektronipilvede tihedusega. Seetõttu toimuvad kokkupõrked kõige tõenäolisemalt tihedalt pakitud sisemiste kestade sees, näiteks madalaimas K-kestas. Siin aatom ioniseeritakse ja 1-s kestas tekib vaba koht.

Selle vaba koha täidab kõrgema energiaga kestast pärit elektron, mille ülejäägi kannab ära röntgenfooton. See elektron võib "kukkuda" teisest kestast L, kolmandast kestast M ja nii edasi. Nii moodustub tunnusseeria, antud näites K-seeria. Viide selle kohta, kust vaba kohta täitev elektron pärineb, antakse seeria tähistamisel kreeka indeksi kujul. "Alfa" tähendab, et see pärineb L-kest, "beeta" - M-kest. Praegu on tendents asendada kreeka tähtedega indeksid ladina tähtedega, mida kasutatakse kestade tähistamiseks.

Seeria alfarea intensiivsus on alati kõrgeim, mis tähendab, et naaberkestast vaba koha täitmise tõenäosus on suurim.

Nüüd saame vastata küsimusele, milline on iseloomuliku röntgenikiirguse kvanti maksimaalne energia. Selle määrab nende tasemete energiaväärtuste erinevus, mille vahel toimub elektronide üleminek, vastavalt valemile E \u003d E n 2 - E n 1, kus E n 2 ja E n 1 on elektronide ülemineku energiad. elektroonilised olekud, mille vahel üleminek toimus. Selle parameetri kõrgeima väärtuse annavad K-seeria üleminekud raskete elementide aatomite võimalikult kõrgetelt tasemetelt. Kuid nende joonte intensiivsus (tipu kõrgused) on väikseim, kuna need on kõige vähem tõenäolised.

Kui elektroodide ebapiisava pinge tõttu ei jõua kõva elektron K-tasemele, tekib L-tasandil vaba koht ja tekib vähemenergiline pikemate lainepikkustega L-seeria. Sarnaselt sünnivad ka järgnevad sarjad.

Lisaks ilmub vaba töökoha täitmisel elektroonilise ülemineku tulemusena selle pealisesse kesta uus vaba töökoht. See loob tingimused järgmise seeria loomiseks. Elektroonilised vabad kohad liiguvad tasemelt kõrgemale ja aatom kiirgab välja iseloomulike spektrisarjade kaskaadi, jäädes ioniseerituks.

Iseloomulike spektrite peenstruktuur

Iseloomuliku röntgenikiirguse aatomiröntgenispektreid iseloomustab peenstruktuur, mis väljendub nagu optilistes spektrites joonte lõhenemises.

Peenstruktuur on tingitud sellest, et energiatase – elektronkiht – on tihedalt asetsevate komponentide – alamkestade – kogum. Alamkestade iseloomustamiseks tuuakse sisse veel üks sisemine kvantarv j, mis peegeldab elektroni sisemiste ja orbitaalsete magnetmomentide vastastikmõju.

Seoses spin-orbiidi interaktsiooni mõjuga muutub aatomi energiastruktuur keerulisemaks ja selle tulemusena on iseloomuliku röntgenikiirguse spekter, mida iseloomustavad väga tihedalt asetsevate elementidega lõhestatud jooned.

Peenstruktuuri elemente tähistatakse tavaliselt täiendavate digitaalsete indeksitega.

Iseloomulikul röntgenikiirgusel on omadus, mis peegeldub ainult spektri peenstruktuuris. Elektroni üleminek madalaimale energiatasemele ei toimu katva tasandi alumisest alamkihist. Sellise sündmuse tõenäosus on tühine.

Röntgenikiirguse kasutamine spektromeetrias

See kiirgus on oma Moseley seaduses kirjeldatud tunnuste tõttu erinevate ainete analüüsi röntgenspektrimeetodite aluseks. Röntgenispektri analüüsimisel kasutatakse kas kiirguse difraktsiooni kristallide abil (lainedispersiooni meetod) või neeldunud röntgenfootonite energia suhtes tundlikke detektoreid (energia-dispersiivmeetod). Enamik elektronmikroskoope on varustatud mingisuguse röntgenspektromeetria kinnitusega.

Lainedispersiooni spektromeetriat iseloomustab eriti suur täpsus. Spetsiaalsete filtrite abil valitakse välja kõige intensiivsemad tipud spektris, tänu millele on võimalik saada täpselt teadaoleva sagedusega peaaegu monokromaatilist kiirgust. Anoodi materjal valitakse väga hoolikalt, et tagada soovitud sagedusega monokromaatiline kiire. Selle difraktsioon uuritava aine kristallvõrel võimaldab suure täpsusega uurida võre struktuuri. Seda meetodit kasutatakse ka DNA ja teiste komplekssete molekulide uurimisel.

Ka gammaspektromeetrias võetakse arvesse üht iseloomuliku röntgenkiirguse tunnust. See on iseloomulike piikide kõrge intensiivsus. Gamma-spektromeetrid kasutavad pliivarjestust välise taustkiirguse eest, mis segab mõõtmisi. Kuid gamma-kvante neelav plii kogeb sisemist ionisatsiooni, mille tulemusena kiirgab see aktiivselt röntgenikiirguse piirkonnas. Plii iseloomuliku röntgenikiirguse intensiivsete piikide neelamiseks kasutatakse täiendavat kaadmiumvarjestust. See omakorda on ioniseeritud ja kiirgab ka röntgenikiirgust. Kaadmiumi iseloomulike piikide neutraliseerimiseks kasutatakse kolmandat varjestuskihti – vaske, mille röntgenikiirguse maksimumid jäävad väljapoole gammaspektromeetri töösagedusvahemikku.

Spektromeetria kasutab nii bremsstrahlungi kui ka iseloomulikku röntgenikiirgust. Seega uuritakse ainete analüüsimisel pidevate röntgenikiirguste neeldumisspektreid erinevate ainete poolt.

1895. aastal avastas saksa füüsik Roentgen vaakumis kahe elektroodi vahelise voolu läbimise katseid tehes, et luminestseeruva ainega (baariumsoolaga) kaetud ekraan helendab, kuigi tühjendustoru on suletud musta papist ekraaniga - nii avastati kiirgus, mis tungib läbi läbipaistmatute barjääride, mida nimetatakse röntgenröntgenikiirguseks. Leiti, et inimesele nähtamatud röntgenkiired neelduvad läbipaistmatutes objektides, mida tugevam, seda suurem on barjääri aatomnumber (tihedus), mistõttu röntgenikiirgus läbib kergesti inimkeha pehmeid kudesid, kuid jääb alles. luustiku luude poolt. Projekteeriti võimsate röntgenikiirguse allikad, mis võimaldasid metallosadest läbi paista ja neis sisemisi defekte leida.

Saksa füüsik Laue pakkus, et röntgenikiirgus on samasugune elektromagnetiline kiirgus nagu nähtav valguskiired, kuid lühema lainepikkusega ja neile kehtivad kõik optika seadused, sealhulgas on võimalik difraktsioon. Nähtava valguse optikas saab difraktsiooni elementaartasandil kujutada kui valguse peegeldust soonte süsteemist - difraktsioonivõrest, mis esineb ainult teatud nurkade all, samas kui kiirte peegeldusnurk on seotud langemisnurgaga, difraktsioonvõre soonte ja langeva kiirguse lainepikkuse vaheline kaugus. Difraktsiooni jaoks on vajalik, et löökide vaheline kaugus oleks ligikaudu võrdne langeva valguse lainepikkusega.

Laue pakkus välja, et röntgenikiirguse lainepikkus on lähedane kristallides üksikute aatomite vahelisele kaugusele, st. aatomid kristallis loovad röntgenikiirguse jaoks difraktsioonvõre. Kristalli pinnale suunatud röntgenikiirgus peegeldus fotoplaadil, nagu teooria ennustas.

Kõik muutused aatomite asendis mõjutavad difraktsioonimustrit ning röntgenkiirte difraktsiooni uurides saab teada aatomite paigutust kristallis ja selle paigutuse muutumist mis tahes füüsikaliste, keemiliste ja mehaaniliste mõjude korral kristallile. .

Nüüd kasutatakse röntgenanalüüsi paljudes teaduse ja tehnika valdkondades, selle abil õpiti aatomite paigutust olemasolevates materjalides ning loodi uusi etteantud struktuuri ja omadustega materjale. Hiljutised edusammud selles valdkonnas (nanomaterjalid, amorfsed metallid, komposiitmaterjalid) loovad tegevusvälja järgmistele teaduspõlvkondadele.

Röntgenikiirguse esinemine ja omadused

Röntgenikiirguse allikaks on röntgentoru, millel on kaks elektroodi – katood ja anood. Katoodi kuumutamisel toimub elektronide emissioon, katoodist eralduvad elektronid kiirendatakse elektrivälja toimel ja tabavad anoodi pinda. Röntgentoru eristab tavapärasest raadiolambist (dioodist) peamiselt kõrgem kiirenduspinge (üle 1 kV).

Kui elektron lendab katoodilt välja, paneb elektriväli selle anoodi poole lendama, samal ajal kui selle kiirus pidevalt kasvab, kannab elektron magnetvälja, mille tugevus suureneb elektroni kiirusega. Jõudes anoodi pinnale, aeglustub elektron järsult ja tekib elektromagnetiline impulss, mille lainepikkused on teatud vahemikus (bremsstrahlung). Kiirguse intensiivsuse jaotus lainepikkustel oleneb röntgentoru anoodi materjalist ja rakendatavast pingest, lühilainete poolel aga algab see kõver teatud lävi minimaalse lainepikkusega, mis sõltub rakendatavast pingest. Kõigi võimalike lainepikkustega kiirte kogum moodustab pideva spektri ja maksimaalsele intensiivsusele vastav lainepikkus on 1,5 korda suurem kui minimaalne lainepikkus.

Pinge kasvades muutub röntgenikiirguse spekter dramaatiliselt tänu aatomite interaktsioonile suure energiaga elektronidega ja primaarsete röntgenikiirte kvantidega. Aatom sisaldab sisemisi elektronkihte (energiatasemeid), mille arv sõltub aatomarvust (tähistatakse tähtedega K, L, M jne) Elektronid ja primaarne röntgenikiirgus löövad elektronid ühelt energiatasemelt teisele välja. . Tekib metastabiilne olek ja stabiilsesse olekusse üleminekuks on vajalik elektronide hüpe vastupidises suunas. Selle hüppega kaasneb energiakvanti vabanemine ja röntgenikiirte ilmumine. Erinevalt pideva spektriga röntgenkiirgusest on sellel kiirgusel väga kitsas lainepikkuste vahemik ja kõrge intensiivsus (iseloomulik kiirgus) ( cm. riis.). Iseloomuliku kiirguse intensiivsust määravate aatomite arv on väga suur, näiteks vaskanoodiga röntgentoru puhul pingel 1 kV annab iseloomuliku kiirguse vool 15 mA, 10 14–10 15 aatomit. 1 s. See väärtus arvutatakse kogu röntgenkiirguse võimsuse suhtena K-koorest (röntgenikiirguse iseloomuliku kiirguse K-seeria) saadud röntgenkvanti energiasse. Röntgenkiirguse koguvõimsus on sel juhul vaid 0,1% tarbitud võimsusest, ülejäänu läheb kaotsi, peamiselt soojusele ülemineku tõttu.

Oma suure intensiivsuse ja kitsa lainepikkuste vahemiku tõttu on iseloomulik röntgenkiirgus peamine kiirgusliik, mida kasutatakse teadusuuringutes ja protsesside juhtimises. Samaaegselt K-seeria kiirtega tekivad L- ja M-seeria talad, millel on palju pikemad lainepikkused, kuid nende rakendusala on piiratud. K-seerias on kaks komponenti lähedase lainepikkusega a ja b, samas kui b-komponendi intensiivsus on 5 korda väiksem kui a. A-komponenti omakorda iseloomustavad kaks väga lähedast lainepikkust, millest ühe intensiivsus on 2 korda suurem kui teisel. Ühe lainepikkusega kiirguse (monokromaatiline kiirgus) saamiseks on välja töötatud spetsiaalsed meetodid, mis kasutavad röntgenkiirte neeldumise ja difraktsiooni sõltuvust lainepikkusest. Elemendi aatomarvu suurenemine on seotud elektronkestade omaduste muutumisega ja mida suurem on röntgenitoru anoodi materjali aatomnumber, seda lühem on K-seeria lainepikkus. Enimkasutatavad torud anoodidega elementidest, mille aatomnumber on 24–42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) ja lainepikkusega 2,29–0,712 A (0,229–0,712 nm).

Lisaks röntgentorule võivad röntgenikiirguse allikateks olla radioaktiivsed isotoobid, mõned võivad kiirgada otse röntgenikiirgust, teised kiirgavad elektrone ja a-osakesi, mis tekitavad metallist sihtmärkide pommitamisel röntgenikiirgust. Radioaktiivsete allikate röntgenikiirguse intensiivsus on tavaliselt palju väiksem kui röntgentorul (välja arvatud radioaktiivne koobalt, mida kasutatakse vigade tuvastamiseks ja mis annab väga väikese lainepikkusega kiirgust - g-kiirgust), need on väikesed ja ei vaja elektrit. Sünkrotronröntgenikiirgus saadakse elektronkiirendites, selle kiirguse lainepikkus on palju suurem kui röntgentorudes (pehmed röntgenikiirgus), selle intensiivsus on mitu suurusjärku suurem kui röntgentorude intensiivsus. Samuti on olemas looduslikud röntgenikiirguse allikad. Radioaktiivseid lisandeid on leitud paljudest mineraalidest, samuti on registreeritud kosmoseobjektide, sealhulgas tähtede, röntgenikiirgust.

Röntgenikiirguse koostoime kristallidega

Kristallilise struktuuriga materjalide röntgenuuringus analüüsitakse kristallvõre aatomite hulka kuuluvate elektronide poolt röntgenkiirguse hajumisel tekkivaid interferentsimustreid. Aatomeid peetakse liikumatuteks, nende termilisi vibratsioone ei võeta arvesse ning sama aatomi kõik elektronid on koondunud ühte punkti – kristallvõre sõlme.

Röntgendifraktsiooni põhivõrrandite tuletamiseks kristallis võetakse arvesse kristallvõres piki sirgjoont paiknevate aatomite poolt hajutatud kiirte interferentsi. Monokromaatilise röntgenkiirguse tasapinnaline laine langeb nendele aatomitele nurga all, mille koosinus on võrdne nulliga. Aatomite poolt hajutatud kiirte interferentsi seadused on sarnased difraktsioonvõre omadega, mis hajutavad valguskiirgust nähtava lainepikkuse vahemikus. Selleks, et kõigi võngete amplituudid aatomireast suurel kaugusel summeeruks, on vajalik ja piisav, et igast naaberaatomipaarist tulevate kiirte teekonna erinevus sisaldab täisarvu lainepikkusi. Kui aatomite vaheline kaugus a see tingimus näeb välja selline:

a(a – a0) = h l ,

kus a on aatomrea ja kõrvalekaldud kiire vahelise nurga koosinus, h- täisarv. Kõigis suundades, mis seda võrrandit ei rahulda, kiired ei levi. Seega moodustavad hajutatud talad koaksiaalsete koonuste süsteemi, mille ühiseks teljeks on aatomirida. Koonuste jäljed aatomireaga paralleelsel tasapinnal on hüperboolid, reaga risti asetseval tasapinnal aga ringid.

Kui kiired langevad konstantse nurga all, laguneb polükromaatiline (valge) kiirgus fikseeritud nurkade all kõrvale kalduvate kiirte spektriks. Seega on aatomirida röntgenikiirguse spektrograaf.

Üldistus kahemõõtmeliseks (tasapinnaliseks) aatomvõreks ja seejärel kolmemõõtmeliseks mahuliseks (ruumiliseks) kristallvõreks annab veel kaks sarnast võrrandit, mis sisaldavad röntgenikiirguse langemis- ja peegeldusnurki ning aatomite kaugusi kolmes. juhised. Neid võrrandeid nimetatakse Laue võrranditeks ja need on röntgendifraktsioonianalüüsi aluseks.

Paralleelsetelt aatomitasanditelt peegelduvate kiirte amplituudid liidetakse ja kuna aatomite arv on väga suur, peegeldunud kiirgust saab katseliselt fikseerida. Peegeldustingimust kirjeldab Wulff-Braggi võrrand2d sinq = nl, kus d on kaugus kõrvuti asetsevate aatomitasandite vahel, q on pilgunurk langeva kiire suuna ja nende tasandite vahel kristallis, l on röntgenikiirgus lainepikkus ja n on täisarv, mida nimetatakse peegeldusjärjestuseks. Nurk q on langemisnurk aatomitasandite suhtes, mis ei pruugi suunaliselt kokku langeda uuritava proovi pinnaga.

Röntgendifraktsioonanalüüsiks on välja töötatud mitmeid meetodeid, kasutades nii pideva spektriga kiirgust kui ka monokromaatilist kiirgust. Sel juhul võib uuritav objekt olla paigal või pöörlev, võib koosneda ühest kristallist (üksikkristall) või mitmest (polükristall), difrakteerunud kiirgust saab salvestada tasapinnalise või silindrilise röntgenfilmi või liikuva röntgendetektori abil. ümbermõõdu ümber, kuid kõigil juhtudel kasutatakse katse ja tulemuste tõlgendamise ajal Wulf-Braggi võrrandit.

Röntgenanalüüs teaduses ja tehnoloogias

Röntgendifraktsiooni avastamisega on teadlaste käsutuses meetod, mis võimaldab uurida üksikute aatomite paigutust ja selle paigutuse muutusi välismõjude mõjul ilma mikroskoobita.

Röntgenikiirguse põhiliseks rakenduseks fundamentaalteaduses on struktuurianalüüs, s.o. üksikute aatomite ruumilise paigutuse kehtestamine kristallis. Selleks kasvatatakse monokristalle ja tehakse röntgenanalüüs, uurides nii peegelduste asukohta kui ka intensiivsust. Nüüd on kindlaks tehtud mitte ainult metallide, vaid ka keeruliste orgaaniliste ainete struktuurid, milles elementaarrakud sisaldavad tuhandeid aatomeid.

Mineraloogias on röntgenanalüüsiga määratud tuhandete mineraalide struktuurid ja loodud mineraalsete toorainete analüüsi ekspressmeetodid.

Metallid on suhteliselt lihtsa kristallstruktuuriga ning röntgenimeetod võimaldab uurida selle muutumist erinevate tehnoloogiliste töötluste käigus ning luua uute tehnoloogiate füüsikalisi aluseid.

Sulamite faasilise koostise määrab joonte paigutus röntgenikiirte mustritel, kristallide arvu, suuruse ja kuju määrab nende laius, kristallide orientatsiooni (tekstuuri) määrab intensiivsuse jaotus difraktsioonikoonuses.

Neid tehnikaid kasutatakse plastilise deformatsiooni käigus toimuvate protsesside uurimiseks, sh kristallide purustamine, sisepingete esinemine ja kristallstruktuuri ebatäiuslikkuse (dislokatsioonide) esinemine. Deformeerunud materjalide kuumutamisel uuritakse pingete leevendamist ja kristallide kasvu (rekristalliseerumist).

Kui sulamite röntgenanalüüs määrab tahkete lahuste koostise ja kontsentratsiooni. Tahke lahuse ilmnemisel muutuvad aatomitevahelised kaugused ja sellest tulenevalt ka aatomitasandite vahelised kaugused. Need muutused on väikesed, seetõttu on kristallvõre perioodide mõõtmiseks välja töötatud spetsiaalsed täppismeetodid, mille täpsus on kaks suurusjärku suurem kui tavapäraste röntgenimeetodite mõõtmistäpsus. Kristallvõre perioodide täppismõõtmiste ja faasianalüüsi kombinatsioon võimaldab joonistada faasipiirkondade piirid olekudiagrammile. Röntgenimeetodil on võimalik tuvastada ka vaheolekuid tahkete lahuste ja keemiliste ühendite vahel – järjestatud tahked lahused, milles lisandite aatomid ei paikne juhuslikult, nagu tahketes lahustes, ja samal ajal mitte ruumilises järjestuses nagu keemias. ühendid. Järjestatud tahkete lahuste röntgeni mustritel on täiendavad jooned, röntgenipiltide tõlgendamine näitab, et lisandiaatomid hõivavad kristallvõres teatud kohad, näiteks kuubi tippudes.

Faasimuutusi mitteläbiva sulami karastamise käigus võib tekkida üleküllastunud tahke lahus ning edasisel kuumutamisel või isegi toatemperatuuril hoidmisel tahke lahus laguneb koos keemilise ühendi osakeste vabanemisega. See on vananemise mõju ja see ilmneb röntgenülesvõtetel joonte asukoha ja laiuse muutusena. Vananemise uurimine on eriti oluline värviliste metallide sulamite puhul, näiteks vanandamine muudab pehme, karastatud alumiiniumisulami vastupidavaks konstruktsioonimaterjaliks duralumiiniumiks.

Terase kuumtöötlemise röntgenuuringud on tehnoloogiliselt suurima tähtsusega. Terase kõvenemisel (kiirjahtumisel) toimub difusioonivaba austeniit-martensiit faasiüleminek, mis toob kaasa struktuuri muutumise kuupmeetrilisest tetragonaalseks, s.t. ühikrakk on ristkülikukujulise prisma kuju. Röntgenpiltidel ilmneb see joonte laienemisena ja mõne joone eraldumisena kaheks. Selle efekti põhjuseks pole mitte ainult kristallstruktuuri muutus, vaid ka martensiitse struktuuri termodünaamilise mittetasakaalu ja kiire jahtumise tõttu tekkivad suured sisepinged. Karastamisel (karastatud terase kuumutamisel) kitsenevad röntgenikiirte mustrite jooned, see on tingitud tasakaalustruktuuri naasmisest.

Viimastel aastatel on suurt tähtsust omandanud kontsentreeritud energiavoogudega materjalide töötlemise röntgenuuringud (laserkiired, lööklained, neutronid, elektronimpulssid), mis nõudsid uusi tehnikaid ja andsid uusi röntgeniefekte. Näiteks laserkiirte toimel metallidele toimub kuumenemine ja jahtumine nii kiiresti, et metallis on kristallidel jahtumisel aega kasvada vaid mitme ühikraku suuruseks (nanokristallid) või neil pole aega moodustuda. üleüldse. Selline metall näeb pärast jahutamist välja nagu tavaline, kuid ei anna röntgeni mustrile selgeid jooni ja peegeldunud röntgenikiirgus jaotub kogu pilgunurkade vahemikus.

Pärast neutronkiirgust ilmuvad röntgenpildile täiendavad laigud (hajutatud maksimumid). Radioaktiivne lagunemine põhjustab ka spetsiifilisi röntgeniefekte, mis on seotud struktuuri muutumisega, samuti asjaolu, et uuritav proov ise muutub röntgenikiirguse allikaks.

Röntgenikiirgus mängib kaasaegses meditsiinis tohutut rolli, röntgenikiirguse avastamise ajalugu ulatub 19. sajandisse.

Röntgenikiirgus on elektromagnetlained, mis tekivad elektronide osalusel. Laetud osakeste tugeva kiirendusega luuakse kunstlikud röntgenikiirgused. See läbib spetsiaalse varustuse:

  • osakeste kiirendid.

Avastamise ajalugu

Need kiired leiutas 1895. aastal Saksa teadlane Roentgen: elektronkiiretoruga töötades avastas ta baariumplaatinatsüaniidi fluorestsentsefekti. Siis kirjeldati selliseid kiiri ja nende hämmastavat võimet tungida keha kudedesse. Kiiri hakati nimetama röntgenikiirguseks (röntgenikiirgus). Hiljem hakati Venemaal neid kutsuma röntgeniks.

Röntgenikiirgus on võimeline tungima isegi läbi seinte. Nii mõistis Roentgen, et on teinud meditsiini vallas suurima avastuse. Sellest ajast hakkasid moodustuma teaduses eraldiseisvad osad, nagu radioloogia ja radioloogia.

Kiired on võimelised tungima pehmetesse kudedesse, kuid viibivad, nende pikkuse määrab kõva pinna takistus. Inimkeha pehmed koed on nahk ja kõvad kuded on luud. 1901. aastal pälvis teadlane Nobeli preemia.

Kuid juba enne Wilhelm Conrad Roentgeni avastamist tundsid sarnase teema vastu huvi ka teised teadlased. 1853. aastal uuris prantsuse füüsik Antoine-Philiber Mason klaastoru elektroodide vahelist kõrgepingelahendust. Selles sisalduv gaas madalal rõhul hakkas kiirgama punakat kuma. Torust liigse gaasi väljapumpamine viis hõõgu lagunemiseni üksikute helendavate kihtide keerukaks jadaks, mille toon sõltus gaasi kogusest.

1878. aastal väitis William Crookes (inglise füüsik), et fluorestsents tekib tänu kiirte mõjule toru klaaspinnale. Kuid kõiki neid uuringuid ei avaldatud kuskil, nii et Roentgen ei teadnud sellistest avastustest. Pärast oma avastuste avaldamist 1895. aastal teadusajakirjas, kus teadlane kirjutas, et kõik kehad on nende kiirte jaoks läbipaistvad, kuigi väga erineval määral, hakkasid teised teadlased sarnaste katsete vastu huvi tundma. Nad kinnitasid Röntgeni leiutamist ning algas röntgenikiirte edasine arendamine ja täiustamine.

Wilhelm Roentgen ise avaldas 1896. ja 1897. aastal veel kaks teaduslikku artiklit röntgenikiirte teemal, misjärel asus ta muule tegevusele. Nii leiutasid mitmed teadlased, kuid just Roentgen avaldas sellel teemal teaduslikke töid.


Pildistamise põhimõtted

Selle kiirguse omadused on määratud nende välimuse olemusega. Kiirgus tekib elektromagnetlaine tõttu. Selle peamised omadused hõlmavad järgmist:

  1. Peegeldus. Kui laine lööb vastu pinda risti, siis see ei peegeldu. Mõnes olukorras on teemandil peegeldusomadus.
  2. Võime tungida kudedesse. Lisaks võivad kiired läbida materjalide, nagu puit, paber jms, läbipaistmatuid pindu.
  3. imavus. Neeldumine sõltub materjali tihedusest: mida tihedam see on, seda rohkem röntgenkiirgus seda neelab.
  4. Mõned ained fluorestseerivad, st helendavad. Niipea kui kiirgus lakkab, kaob ka sära. Kui see jätkub pärast kiirte toime lõppemist, nimetatakse seda efekti fosforestsentsi.
  5. Röntgenikiirgus võib valgustada fotofilmi, nagu ka nähtavat valgust.
  6. Kui kiir läbis õhku, toimub atmosfääris ionisatsioon. Seda olekut nimetatakse elektrit juhtivaks ja see määratakse dosimeetri abil, mis määrab kiirgusdoosi kiiruse.

Kiirgus – kahju ja kasu

Kui avastus tehti, ei osanud füüsik Roentgen isegi ette kujutada, kui ohtlik tema leiutis on. Vanasti ei olnud kõik kiirgust tootvad seadmed kaugel täiuslikkusest ja selle tulemusena saadi suured doosid kiirgusid. Inimesed ei mõistnud sellise kiirguse ohtu. Kuigi mõned teadlased esitasid isegi siis versioonid röntgenikiirguse ohtude kohta.


Kudedesse tungiv röntgenikiirgus avaldab neile bioloogilist mõju. Kiirgusdoosi mõõtühikuks on röntgenit tunnis. Peamine mõju on kudede sees olevatel ioniseerivatel aatomitel. Need kiired mõjutavad otseselt elusraku DNA struktuuri. Kontrollimatu kiirguse tagajärjed on järgmised:

  • raku mutatsioon;
  • kasvajate ilmnemine;
  • kiirguspõletused;
  • kiiritushaigus.

Röntgenuuringu vastunäidustused:

  1. Patsiendid on kriitilises seisundis.
  2. Rasedusperiood negatiivse mõju tõttu lootele.
  3. Patsiendid, kellel on verejooks või avatud pneumotooraks.

Kuidas röntgenikiirgus töötab ja kus seda kasutatakse

  1. Meditsiinis. Röntgendiagnostikat kasutatakse eluskudede poolläbipaistmiseks, et tuvastada teatud kehas esinevad häired. Kasvaja moodustiste kõrvaldamiseks viiakse läbi röntgenteraapia.
  2. Teaduses. Selgub ainete struktuur ja röntgenikiirguse olemus. Nende küsimustega tegelevad sellised teadused nagu keemia, biokeemia, kristallograafia.
  3. Tööstuses. Metalltoodete rikkumiste tuvastamiseks.
  4. Elanikkonna turvalisuse huvides. Pagasi skaneerimiseks paigaldatakse lennujaamadesse ja muudesse avalikesse kohtadesse röntgenkiired.


Röntgenkiirguse meditsiiniline kasutamine. Röntgenikiirgust kasutatakse laialdaselt meditsiinis ja hambaravis järgmistel eesmärkidel:

  1. Haiguste diagnoosimiseks.
  2. Ainevahetusprotsesside jälgimiseks.
  3. Paljude haiguste raviks.

Röntgenikiirguse kasutamine meditsiinilistel eesmärkidel

Lisaks luumurdude tuvastamisele kasutatakse röntgenikiirgust laialdaselt meditsiinilistel eesmärkidel. Röntgenikiirguse spetsiaalne rakendus on järgmiste eesmärkide saavutamiseks:

  1. Vähirakkude hävitamiseks.
  2. Kasvaja suuruse vähendamiseks.
  3. Valu vähendamiseks.

Näiteks radioaktiivset joodi, mida kasutatakse endokrinoloogiliste haiguste korral, kasutatakse aktiivselt kilpnäärmevähi korral, aidates sellega paljudel inimestel sellest kohutavast haigusest lahti saada. Praegu ühendatakse keeruliste haiguste diagnoosimiseks röntgenikiirgus arvutitega, mille tulemusena ilmuvad uusimad uurimismeetodid, näiteks kompuuter-aksiaaltomograafia.

Selline skaneerimine annab arstidele värvilisi pilte, mis näitavad inimese siseorganeid. Siseorganite töö tuvastamiseks piisab väikesest kiirgusdoosist. Röntgenikiirgust kasutatakse laialdaselt ka füsioteraapias.


Röntgenikiirguse põhiomadused

  1. läbitungimisvõime. Kõik kehad on röntgenile läbipaistvad ja läbipaistvuse aste sõltub keha paksusest. Selle omaduse tõttu hakati kiirt kasutama meditsiinis elundite toimimise, luumurdude ja võõrkehade esinemise tuvastamiseks kehas.
  2. Nad on võimelised tekitama mõne objekti sära. Näiteks kui kartongile kantakse baarium ja plaatina, helendab see pärast kiirskaneerimise läbimist rohekaskollakalt. Kui asetate käe röntgentoru ja ekraani vahele, siis valgus tungib rohkem luusse kui kudedesse, mistõttu luukude paistab ekraanil kõige eredamalt ja lihaskude on vähem hele.
  3. Tegevus filmil. Röntgenikiirgus võib sarnaselt valgusega filmi tumedamaks muuta, mis võimaldab pildistada varjupoolt, mis saadakse objektide röntgenikiirguse uurimisel.
  4. Röntgenikiirgus võib gaase ioniseerida. See võimaldab mitte ainult leida kiiri, vaid ka paljastada nende intensiivsust, mõõtes gaasi ionisatsioonivoolu.
  5. Neil on biokeemiline toime elusolendite kehale. Tänu sellele omadusele on röntgenikiirgus leidnud laialdast rakendust meditsiinis: nendega saab ravida nii nahahaigusi kui ka siseorganite haigusi. Sel juhul valitakse soovitud kiirgusdoos ja kiirte kestus. Sellise ravi pikaajaline ja liigne kasutamine on väga kahjulik ja kehale kahjulik.

Röntgenikiirguse kasutamise tagajärjeks oli paljude inimelude päästmine. Röntgenikiirgus ei aita mitte ainult haigust õigeaegselt diagnoosida, vaid kiiritusravi kasutavad ravimeetodid leevendavad patsiente mitmesugustest patoloogiatest alates kilpnäärme hüperfunktsioonist kuni luukoe pahaloomuliste kasvajateni.

1. Röntgenikiirguse allikad.

2. Bremsstrahlung röntgenikiirgus.

3. Iseloomulik röntgenikiirgus. Moseley seadus.

4. Röntgenkiirguse koostoime ainega. Nõrgenemise seadus.

5. Röntgenikiirguse kasutamise füüsikalised alused meditsiinis.

6. Põhimõisted ja valemid.

7. Ülesanded.

röntgenikiirgus - elektromagnetlained lainepikkusega 100 kuni 10-3 nm. Elektromagnetlainete skaalal hõivab röntgenkiirgus UV-kiirguse ja UV-kiirguse vahelise piirkonna. γ -kiirgus. Röntgenikiirgus (röntgenikiirgus) avastas 1895. aastal K. Roentgen, kellest 1901. aastal sai esimene Nobeli füüsikapreemia laureaat.

32.1. Röntgenikiirguse allikad

Röntgenikiirguse looduslikud allikad on mõned radioaktiivsed isotoobid (näiteks 55 Fe). Võimsate röntgenikiirguste kunstlikud allikad on röntgenitorud(joonis 32.1).

Riis. 32.1. Röntgentoru seade

Röntgentoru on tühjendatud klaaskolb, millel on kaks elektroodi: anood A ja katood K, mille vahele tekib kõrgepinge U (1-500 kV). Katood on elektrivooluga soojendatav mähis. Kuumutatud katoodi (termiooniline emissioon) kiiratavad elektronid kiirendatakse elektrivälja toimel suur kiirused (selleks vajate kõrget pinget) ja langevad toru anoodile. Kui need elektronid interakteeruvad anoodimaterjaliga, tekib kahte tüüpi röntgenikiirgus: pidur ja iseloomulik.

Anoodi tööpind paikneb elektronkiire suuna suhtes teatud nurga all, et tekitada röntgenkiirte soovitud suund.

Ligikaudu 1% elektronide kineetilisest energiast muundatakse röntgenikiirguseks. Ülejäänud energia vabaneb soojusena. Seetõttu on anoodi tööpind valmistatud tulekindlast materjalist.

32.2. Bremsstrahlung röntgen

Mõnes keskkonnas liikuv elektron kaotab oma kiiruse. See tekitab negatiivse kiirenduse. Maxwelli teooria järgi mis tahes kiirendatud laetud osakese liikumisega kaasneb elektromagnetkiirgus. Kiirgust, mis tekib elektroni aeglustamisel anoodimaterjalis, nimetatakse bremsstrahlung röntgenikiirgus.

Bremsstrahlungi omadused määratakse järgmiste teguritega.

1. Kiirgust kiirgavad üksikud kvantid, mille energiad on sagedusega seotud valemiga (26.10)

kus ν on sagedus, λ on lainepikkus.

2. Kõigil anoodile jõudvatel elektronidel on sama kineetiline energia, mis võrdub anoodi ja katoodi vahelise elektrivälja tööga:

kus e on elektroni laeng, U on kiirenduspinge.

3. Elektroni kineetiline energia kandub osaliselt ainele ja läheb selle soojendamiseks (Q) ning osaliselt kulub röntgenkvanti loomiseks:

4. Q ja hv vaheline seos juhuslikult.

Viimase omaduse (4) tõttu genereeritud kvantid mitmesugused elektronid, on mitmesugused sagedused ja lainepikkused. Seetõttu on bremsstrahlungi spekter tahke. tüüpiline vaade spektraalne tihedus röntgenikiirguse voog (Φ λ = άΦ/άλ) on näidatud joonisel fig. 32.2.

Riis. 32.2. Bremsstrahlungi spekter

Pikkade lainete poolelt on spekter piiratud lainepikkusega 100 nm, mis on röntgenikiirguse piir. Lühilainete poolelt on spekter piiratud lainepikkusega λ min . Vastavalt valemile (32.2) minimaalne lainepikkus vastab juhule Q = 0 (elektroni kineetiline energia muundub täielikult kvanti energiaks):

Arvutused näitavad, et tõmbevoog (Φ) on võrdeline pinge U ruuduga

anood ja katood, vool I torus ja anoodi aine aatomarv Z:

Röntgenikiirguse spektrid erinevatel pingetel, erinevatel katooditemperatuuridel ja erinevatel anoodimaterjalidel on näidatud joonistel fig. 32.3.

Riis. 32.3. Bremsstrahlungi spekter (Φ λ):

a - torus erinevatel pingetel U; b - erinevatel temperatuuridel T

katood; c - erinevate anoodainetega, mis erinevad parameetri Z poolest

Anoodi pinge suurenemisega väärtus λmin nihkub lühemate lainepikkuste suunas. Samal ajal suureneb ka spektraalkõvera kõrgus (joon. 32.3, a).

Katoodi temperatuuri tõustes suureneb elektronide emissioon. Vastavalt suureneb ka vool I torus. Spektrikõvera kõrgus suureneb, kuid kiirguse spektraalne koostis ei muutu (joon. 32.3, b).

Anoodi materjali muutumisel muutub spektraalkõvera kõrgus võrdeliselt aatomarvuga Z (joon. 32.3, c).

32.3. Iseloomulik röntgenikiirgus. Moseley seadus

Kui katoodelektronid interakteeruvad anoodiaatomitega, tekib koos röntgenikiirguse katkemisega röntgenkiirgus, mille spekter koosneb üksikud read. See kiirgus

on järgmise päritoluga. Mõned katoodelektronid tungivad sügavale aatomisse ja löövad elektronid sealt välja. sisemised kestad. Nii moodustunud vabad kohad täidetakse elektronidega üleval kestad, mille tulemuseks on kiirguskvantide emissioon. See kiirgus sisaldab diskreetset sageduste kogumit, mille määrab anoodimaterjal ja mida nimetatakse iseloomulik kiirgus. Röntgentoru täisspekter on iseloomuliku spektri superpositsioon bremsstrahlung-spektril (joonis 32.4).

Riis. 32.4. Röntgentoru emissioonispekter

Röntgentorude abil on avastatud iseloomulike röntgenispektrite olemasolu. Hiljem leiti, et sellised spektrid tekivad keemiliste elementide sisemiste orbiitide mis tahes ioniseerimisel. Uurinud erinevate keemiliste elementide iseloomulikke spektreid, kehtestas G. Moseley (1913) järgmise seaduse, mis kannab tema nime.

Iseloomuliku kiirguse sageduse ruutjuur on elemendi järgarvu lineaarfunktsioon:

kus ν on spektrijoone sagedus, Z on kiirgava elemendi aatomnumber, A, B on konstandid.

Moseley seadus võimaldab määrata keemilise elemendi aatomnumbri vaadeldava iseloomuliku kiirguse spektrist. See mängis suurt rolli elementide paigutamisel perioodilises süsteemis.

32.4. Röntgenikiirguse koostoime ainega. nõrgenemise seadus

Röntgenkiirguse ja aine interaktsiooni on kaks peamist tüüpi: hajumine ja fotoelektriline efekt. Hajumisel muutub footoni liikumissuund. Fotoelektrilises efektis footon imendunud.

1. Koherentne (elastne) hajumine tekib siis, kui röntgenfootoni energiast ei piisa aatomi sisemiseks ioniseerimiseks (elektroni väljalöömiseks ühest sisekestast). Sel juhul muutub footoni liikumissuund ning tema energia ja lainepikkus ei muutu (seetõttu nimetatakse seda hajumist nn. elastne).

2. Ebaühtlane (Comptoni) hajumine tekib siis, kui footoni energia on palju suurem kui sisemine ionisatsioonienergia A u: hv >> A u.

Sel juhul eraldub elektron aatomist ja omandab teatud kineetilise energia E k. Footoni suund Comptoni hajumise ajal muutub ja tema energia väheneb:

Comptoni hajumine on seotud aine aatomite ioniseerumisega.

3. fotoelektriline efekt tekib siis, kui footoni energiast hv piisab aatomi ioniseerimiseks: hv > A u. Samal ajal röntgenikiirguse kvant imendunud ja selle energia kulutatakse aatomi ioniseerimiseks ja kineetilise energia edastamiseks väljapaisatud elektronile E k \u003d hv - AI.

Comptoni hajumise ja fotoelektrilise efektiga kaasneb iseloomulik röntgenkiirgus, kuna pärast sisemiste elektronide väljalöömist täituvad vabad kohad väliskesta elektronidega.

Röntgenikiirguse luminestsents. Mõnes aines põhjustavad Comptoni hajumise elektronid ja kvantid, aga ka fotoelektriefekti elektronid molekulide ergastumist, millega kaasnevad kiirgusüleminekud põhiolekusse. See tekitab sära, mida nimetatakse röntgenikiirguse luminestsentsiks. Baariumi plaatina-tsüanogeeni luminestsents võimaldas Röntgenil avastada röntgenikiirgust.

nõrgenemise seadus

Röntgenikiirguse hajumine ja fotoelektriline efekt toovad kaasa asjaolu, et röntgenkiirguse tungimisel sügavale primaarsesse kiirguskiire nõrgeneb (joon. 32.5). Leevendus on eksponentsiaalne:

μ väärtus sõltub neelavast materjalist ja kiirgusspektrist. Praktilisteks arvutusteks nõrgenenud tunnusena

Riis. 32.5. Röntgenikiirguse voo nõrgenemine langevate kiirte suunas

kus λ - lainepikkus; Z on elemendi aatomnumber; k on mingi konstant.

32.5. Kasutamise füüsilised alused

röntgenikiirgus meditsiinis

Meditsiinis kasutatakse röntgenikiirgust diagnostilistel ja ravieesmärkidel.

Röntgendiagnostika- Siseorganite kujutiste saamise meetodid röntgenikiirguse abil.

Nende meetodite füüsikaliseks aluseks on aine röntgenkiirguse sumbumise seadus (32.10). Läbilõike ühtlane röntgenikiirgus pärast läbimist ebahomogeenne kude muutub ebahomogeenseks. Seda ebahomogeensust saab salvestada fotofilmile, fluorestsentsekraanile või maatriksfotodetektori abil. Näiteks luukoe - Ca 3 (PO 4) 2 - ja pehmete kudede - peamiselt H 2 O - massi nõrgenemise koefitsiendid erinevad 68 korda (μ m luu / μ m vett = 68). Luutihedus on ka suurem kui pehmete kudede tihedus. Seetõttu annab röntgenipilt luust heleda kujutise pehmete kudede tumedamal taustal.

Kui uuritaval organil ja seda ümbritsevatel kudedel on sarnased sumbumiskoefitsiendid, siis eriline kontrastained. Näiteks mao fluoroskoopia ajal võtab uuritav baariumsulfaadi (BaSO 4) massi, mille massi nõrgenemise koefitsient on 354 korda suurem kui pehmete kudede puhul.

Diagnostikaks kasutatakse röntgenikiirgust footoni energiaga 60-120 keV. Meditsiinipraktikas kasutatakse järgmisi röntgendiagnostika meetodeid.

1. röntgen. Pilt moodustatakse fluorestsentsekraanil. Pildi heledus on madal ja seda saab vaadata ainult pimedas ruumis. Arst peab olema kokkupuute eest kaitstud.

Fluoroskoopia eeliseks on see, et seda tehakse reaalajas. Puuduseks on suur kiirguskoormus patsiendile ja arstile (võrreldes teiste meetoditega).

Fluoroskoopia kaasaegne versioon - röntgentelevisioon - kasutab röntgenpildi võimendajaid. Võimendi tajub röntgenekraani nõrka kuma, võimendab seda ja edastab selle teleriekraanile. Selle tulemusena on järsult vähenenud arsti kiirguskoormus, suurenenud pildi heledus ning on saanud võimalikuks uuringu tulemused videole jäädvustada.

2. Radiograafia. Pilt moodustatakse spetsiaalsele röntgenikiirgusele tundlikule filmile. Pilte tehakse kahes üksteisega risti asetsevas projektsioonis (otses ja külgsuunas). Pilt muutub nähtavaks pärast fototöötlust. Valmis kuivatatud pilti vaadatakse läbiva valguse käes.

Samas on rahuldavalt nähtavad detailid, mille kontrastsus erineb 1-2%.

Mõnel juhul antakse patsiendile enne uuringut spetsiaalne kontrastaine. Näiteks joodi sisaldav lahus (intravenoosselt) neerude ja kuseteede uurimisel.

Röntgenograafia eelised on kõrge eraldusvõime, lühike kokkupuuteaeg ja peaaegu täielik ohutus arsti jaoks. Puuduste hulgas on staatiline pilt (objekti ei saa dünaamikas jälgida).

3. Fluorograafia. Selle uuringu käigus pildistatakse ekraanile saadav pilt tundlikule väikeseformaadilisele filmile. Fluorograafiat kasutatakse laialdaselt elanikkonna massiuuringus. Kui fluorogrammil leitakse patoloogilisi muutusi, määratakse patsiendile üksikasjalikum uuring.

4. Elektroentgenograafia. Seda tüüpi uuring erineb tavapärasest radiograafiast pildi jäädvustamise viisi poolest. Kasutage filmi asemel seleeni plaat, elektrifitseeritud röntgenikiirgusega. Tulemuseks on varjatud kujutis elektrilaengutest, mida saab nähtavaks teha ja paberile üle kanda.

5. Angiograafia. Seda meetodit kasutatakse veresoonte uurimisel. Kontrastainet süstitakse veeni läbi kateetri, misjärel teeb võimas röntgenaparaat sekundi murdosa jooksul üksteisele järgnevaid pilte. Joonis 32.6 näitab angiogrammi unearteri piirkonnas.

6. Röntgen-kompuutertomograafia. Seda tüüpi röntgenuuring võimaldab teil saada kujutise mitme mm paksusest tasasest kehaosast. Sel juhul valgustatakse antud osa korduvalt erinevate nurkade all iga üksiku pildi fikseerimisega arvuti mällu. Siis

Riis. 32.6. Angiogramm, mis näitab unearteri kanali ahenemist

Riis. 32.7. Tomograafia skaneerimisskeem (a); pea tomogramm ristlõikes silmade kõrgusel (b).

viiakse läbi arvutirekonstrueerimine, mille tulemuseks on skaneeritud kihi kujutis (joonis 32.7).

Kompuutertomograafia võimaldab eristada elemente, mille tiheduse erinevus on kuni 1%. Tavapärane radiograafia võimaldab jäädvustada külgnevate alade minimaalse tiheduse erinevuse 10-20%.

röntgenteraapia - röntgenikiirte kasutamine pahaloomuliste kasvajate hävitamiseks.

Kiirguse bioloogiline toime seisneb eriti kiiresti paljunevate rakkude elutegevuse häirimises. Vähirakkude hävitamiseks sügaval kehas kasutatakse väga kõva röntgenikiirgust (footonienergiaga ligikaudu 10 MeV). Tervete ümbritsevate kudede kahjustuste vähendamiseks pöörleb kiir ümber patsiendi nii, et kogu aeg jääb selle mõju alla ainult kahjustatud piirkond.

32.6. Põhimõisted ja valemid

Tabeli jätk

Tabeli lõpp

32.7. Ülesanded

1. Miks tabab elektronkiir meditsiinilistes röntgentorudes ühte antikatoodi punkti, mitte aga ei lange sellele laia kiirga?

Vastus: röntgenikiirguse punktallika saamiseks, mis annab ekraanil läbipaistvatele objektidele terava piirjoone.

2. Leidke pingete U 1 = 2 kV ja U 2 = 20 kV bremsstrahlung röntgenkiirguse piir (sagedus ja lainepikkus).

4. Röntgenikiirguse eest kaitsmiseks kasutatakse pliiekraane. Röntgenikiirguse lineaarne neeldumine pliis on 52 cm -1. Kui suur peaks olema plii varjestuskihi paksus, et see vähendaks röntgenikiirguse intensiivsust 30 korda?

5. Leidke röntgentoru kiirgusvoog pingel U = 50 kV, I = 1 mA. Anood on valmistatud volframist (Z = 74). Leidke toru efektiivsus.

6. Pehmete kudede röntgendiagnostika jaoks kasutatakse kontrastaineid. Näiteks magu ja sooled on täidetud baariumsulfaadi (BaSO 4 ) massiga. Võrrelge baariumsulfaadi ja pehmete kudede (vee) massi sumbumise koefitsiente.

7. Mis annab röntgeniekraanile paksema varju: alumiinium (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm 3) või sama vasekiht (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm 3)?

8. Mitu korda on alumiiniumikihi paksus suurem vasekihi paksusest, kui kihid summutavad röntgenikiirgust ühtemoodi?


1. Bremsstrahlung ja iseloomulikud röntgenikiirgused,

põhiomadused ja omadused.

1895. aastal avastas Saksa teadlane Roentgen esmakordselt fluorestseeruva ekraani kuma, mille põhjustas silmale nähtamatu kiirgus, mis tuli katoodi vastas asuvast gaaslahendustoru klaasi osast. Seda tüüpi kiirgusel oli võime läbida nähtavale valgusele mitteläbilaskvaid aineid. Röntgen nimetas neid röntgenkiirteks ja pani paika põhiomadused, mis võimaldavad neid kasutada erinevates teaduse ja tehnoloogia valdkondades, sealhulgas meditsiinis.

Röntgenikiirgust nimetatakse kiirguseks lainepikkusega 80-10-5 nm. Pikalaineline röntgenkiirgus kattub lühilainelise UV-kiirgusega, lühilaine kattub pikalainelise g-kiirgusega. Meditsiinis kasutatakse röntgenkiirgust lainepikkusega 10 kuni 0,005 nm, mis vastab footoni energiale 10 2 EV kuni 0,5 MeV. Röntgenikiirgus on silmale nähtamatu, seetõttu tehakse kõik sellega seotud vaatlused fluorestseeruvate ekraanide või fotofilmide abil, kuna see põhjustab röntgenikiirguse luminestsentsi ja omab fotokeemilist toimet. On iseloomulik, et suurem osa optilisele kiirgusele läbimatutest kehadest on suures osas läbipaistvad röntgenkiirgusele, millel on elektromagnetlainetele ühised omadused. Kuid lainepikkuse väiksuse tõttu on mõningaid omadusi raske tuvastada. Seetõttu tehti kiirguse laineline olemus kindlaks palju hiljem kui nende avastamine.

Ergastusmeetodi järgi jaguneb röntgenkiirgus bremsstrahlungiks ja iseloomulikuks kiirguseks.

Bremsstrahlung-röntgenikiirgus on tingitud kiiresti liikuvate elektronide aeglustumisest selle aine aatomi (tuuma ja elektronide) elektrivälja toimel, mille kaudu nad lendavad. Selle kiirguse mehhanismi saab seletada sellega, et igasugune liikuv laeng on vool, mille ümber tekib magnetväli, mille induktsioon (B) sõltub elektroni kiirusest. Pidurdamisel magnetinduktsioon väheneb ja Maxwelli teooria kohaselt tekib elektromagnetlaine.

Kui elektronid aeglustuvad, läheb ainult osa energiast röntgenfootoni loomiseks, teine ​​osa kulub anoodi soojendamisele. Footoni sagedus (lainepikkus) sõltub elektroni algsest kineetilisest energiast ja selle aeglustumise intensiivsusest. Veelgi enam, isegi kui algne kineetiline energia on sama, on aeglustustingimused aines erinevad, seetõttu on emiteeritud footonitel kõige erinevam energia ja sellest tulenevalt ka lainepikkus, s.o. röntgenikiirguse spekter on pidev. Joonisel 1 on kujutatud katkemise spekter erinevatel pingetel U 1

.

Kui U väljendatakse kilovoltides ja arvesse võetakse teiste suuruste suhet, näeb valem välja järgmine: l k \u003d 1,24 / U (nm) või l k \u003d 1,24 / U (Å) (1Å \u003d 10 -10 m ).

Ülaltoodud graafikute põhjal saab kindlaks teha, et lainepikkus l m, mis moodustab maksimaalse kiirgusenergia, on konstantses seoses piirava lainepikkusega l k:

.

Lainepikkus iseloomustab footoni energiat, millest sõltub kiirguse läbitungimisvõime ainega vastasmõjul.

Lühikese lainepikkusega röntgenikiirgus on tavaliselt suure läbitungimisvõimega ja seda nimetatakse kõvaks, pika lainepikkusega röntgenkiirgust aga pehmeks. Nagu ülaltoodud valemist näha, on lainepikkus, mille juures maksimaalne kiirgusenergia langeb, pöördvõrdeline toru anoodi ja katoodi vahelise pingega. Suurendades pinget röntgentoru anoodil, muutke kiirguse spektraalset koostist ja suurendage selle kõvadust.

Hõõgniidi pinge muutumisel (katoodi hõõgniidi temperatuur muutub), muutub katoodi poolt ajaühikus emiteeritud elektronide arv või vastavalt ka voolutugevus toruanoodi ahelas. Sel juhul muutub kiirgusvõimsus võrdeliselt voolu esimese võimsusega. Kiirguse spektraalne koostis ei muutu.

Kiirguse summaarne voog (võimsus), energia jaotus lainepikkuste vahel ja ka spektri piir lühikeste lainepikkuste poolel sõltuvad kolmest järgmisest tegurist: elektrone kiirendavast pingest U, mis rakendub anoodi ja lainepikkuste vahele. toru katood; kiirguse tekkes osalevate elektronide arv, s.o. toru hõõgniidi vool; anoodimaterjali aatomarv Z, milles elektronide aeglustumine toimub.

Bremsstrahlungi voog arvutatakse valemiga: , kus ,

Aine aatomi Z-järjekorranumber (aatomnumber).

Röntgentoru pinget suurendades võib pideva bremsstrahlung-kiirguse taustal märgata eraldi joonte (liinispektri) tekkimist, mis vastab iseloomulikule röntgenkiirgusele. See tekib elektronide üleminekul aine aatomite sisemiste kestade vahel (kestad K, L, M). Iseloomuliku kiirgusspektri jooneline iseloom tuleneb asjaolust, et kiirendatud elektronid tungivad sügavale aatomitesse ja löövad elektronid nende sisekihtidest aatomist välja. Ülemistest kihtidest liiguvad elektronid (joonis 2) vabadesse kohtadesse, mille tulemusena kiirguvad röntgenfootonid sagedusega, mis vastab üleminekuenergia tasemete erinevusele. Iseloomuliku kiirguse spektris olevad jooned kombineeritakse jadadesse, mis vastavad kõrgema tasemega elektronide üleminekutele K, L, M tasemel.

Väline tegevus, mille tulemusena elektron sisekihtidest välja lööb, peab olema piisavalt tugev. Erinevalt optilistest spektritest on erinevate aatomite iseloomulikud röntgenispektrid sama tüüpi. Nende spektrite ühtlus tuleneb sellest, et erinevate aatomite sisekihid on ühesugused ja erinevad ainult energeetiliselt, sest tuuma küljelt tulev jõu mõju suureneb elemendi järjekorranumbri kasvades. See toob kaasa asjaolu, et iseloomulikud spektrid nihkuvad tuumalaengu suurenedes kõrgemate sageduste suunas. Seda suhet tuntakse Moseley seadusena: , kus A ja B on konstandid; Elemendi Z-järjekorra number.

Röntgenkiirguse ja optilise spektri vahel on veel üks erinevus. Aatomi iseloomulik spekter ei sõltu keemilisest ühendist, milles aatom sisaldub. Näiteks on hapnikuaatomi röntgenikiirgus O, O 2 ja H 2 O puhul sama, samas kui nende ühendite optilised spektrid on oluliselt erinevad. See aatomite röntgenispektri omadus oli nimetuse "iseloomulik" aluseks.

Iseloomulik kiirgus tekib alati, kui aatomi sisekihtides on vabu kohti, olenemata selle põhjustanud põhjustest. Näiteks kaasneb sellega üks radioaktiivse lagunemise tüüp, mis seisneb elektroni kinnipüüdmises sisemisest kihist tuuma poolt.

2. Röntgentorude ja algloomade seade

röntgeniaparaat.

Röntgenikiirguse levinuim allikas on röntgentoru – kaheelektroodiline vaakumseade (joon. 3). See on klaasanum (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg), millel on kaks elektroodi - anood A ja katood K, mille vahele tekib kõrgepinge. Kuumutatud katood (K) kiirgab elektrone. Anoodi A nimetatakse sageli antikatoodiks. Sellel on kaldpind, et suunata tekkiv röntgenikiirgus toru telje suhtes nurga all. Anood on valmistatud hea soojusjuhtivusega metallist (vasest), et eemaldada elektronide löögist tekkiv soojus. Anoodi kaldus otsas on suure aatomarvuga tulekindlast metallist (volframist) valmistatud plaat Z, mida nimetatakse anoodipeegliks. Mõnel juhul jahutatakse anood spetsiaalselt vee või õliga. Diagnostikatorude puhul on oluline röntgenikiirgusallika täpsus, mida on võimalik saavutada elektronide fokuseerimisega anoodi ühte kohta. Seetõttu tuleb konstruktiivselt arvestada kahe vastandliku ülesandega: ühelt poolt peavad elektronid langema anoodi ühele kohale, teisalt on ülekuumenemise vältimiseks soovitav elektronid jaotada erinevatele anoodi osadele. anood. Sel põhjusel on mõned röntgentorud valmistatud pöörleva anoodiga.

Mis tahes konstruktsiooniga torus langevad anoodi ja katoodi vahelise pingega kiirendatud elektronid anoodipeeglile ja tungivad sügavale ainesse, interakteeruvad aatomitega ja aeglustuvad aatomivälja mõjul. See tekitab bremsstrahlung röntgenikiirgust. Samaaegselt bremsstrahlungiga moodustub väike kogus (mitu protsenti) iseloomulikku kiirgust. Vaid 1-2% anoodile sattunud elektronidest põhjustavad tõkestamise ja ülejäänud termilise efekti. Elektronide kontsentreerimiseks on katoodil juhtkork. Volframpeegli seda osa, millele langeb peamine elektronvoog, nimetatakse toru fookuseks. Kiirguskiire laius sõltub selle pindalast (fookuse teravusest).

Toru toiteks on vaja kahte allikat: kõrgepingeallikat anoodahela jaoks ja madalpingeallikat (6-8 V), mis toidab hõõgniidiahelat. Mõlemad allikad peavad olema sõltumatult reguleeritud. Anoodi pinge muutmisega reguleeritakse röntgenikiirguse kõvadust ning hõõgumist muutes väljundahela voolutugevust ja vastavalt ka kiirgusvõimsust.

Lihtsaima röntgeniaparaadi skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 4. Ahelal on hõõgniidi toiteks kaks kõrgepingetrafot Tr.1 ja Tr.2. Torul olevat kõrget pinget reguleerib autotrafo Tr.3, mis on ühendatud trafo Tr.1 primaarmähisega. Lüliti K reguleerib autotransformaatori mähise pöörete arvu. Sellega seoses muutub ka trafo sekundaarmähise pinge, mis antakse toru anoodile, st. kõvadus on reguleeritav.

Toru hõõgniidi voolu reguleerib reostaat R, mis sisaldub trafo Tr.2 primaarahelas. Anoodahela voolu mõõdetakse milliampermeetriga. Toru elektroodidele rakendatavat pinget mõõdetakse kV kilovoltmeetriga või anoodiahela pinget saab hinnata lüliti K asendi järgi. Hõõgniidi voolu, mida reguleerib reostaad, mõõdetakse ampermeetriga A. Vaadeldaval skeemil alaldab röntgentoru samaaegselt kõrget vahelduvpinget.

On hästi näha, et selline toru kiirgab ainult ühe vahelduvvoolu pooltsükli jooksul. Seetõttu on selle võimsus väike. Kiirgusvõimsuse suurendamiseks kasutavad paljud seadmed kõrgepinge täislaine röntgenalaldeid. Selleks kasutatakse 4 spetsiaalset kenotronit, mis on ühendatud sillaahelasse. Silla ühes diagonaalis on röntgentoru.

3. Röntgenikiirguse koostoime ainega

(koherentne hajumine, ebajärjekindel hajumine, fotoelektriline efekt).

Kui röntgenikiirgus langeb kehale, peegeldub see sellelt vähesel määral, kuid enamasti läheb see sügavale. Keha massis kiirgus osaliselt neeldub, osaliselt hajub ja osaliselt läbib. Keha läbides interakteeruvad röntgenfootonid peamiselt aine aatomite ja molekulide elektronidega. Röntgenkiirguse registreerimine ja kasutamine, samuti selle mõju bioloogilistele objektidele, on määratud röntgenfootoni ja elektronide interaktsiooni esmaste protsessidega. Sõltuvalt footoni energia E ja ionisatsioonienergia AI suhtest toimub kolm peamist protsessi.

a) koherentne hajumine.

Pika lainepikkusega röntgenikiirguse hajumine toimub peamiselt ilma lainepikkust muutmata ja seda nimetatakse koherentseks. Footoni interaktsioon tuumaga tihedalt seotud sisemiste kestade elektronidega muudab ainult selle suunda, muutmata selle energiat ja seega ka lainepikkust (joonis 5).

Koherentne hajumine toimub siis, kui footoni energia on väiksem kui ionisatsioonienergia: E = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.

b) Ebaühtlane hajumine (Comptoni efekt).

1922. aastal avastas A. Compton kõvade röntgenikiirte hajumist jälgides hajutatud kiire läbitungimisvõime vähenemise võrreldes langeva kiirega. Muutuva lainepikkusega röntgenikiirguse hajumist nimetatakse Comptoni efektiks. See tekib siis, kui mis tahes energia footon interakteerub tuumaga nõrgalt seotud aatomite väliskesta elektronidega (joonis 6). Elektron on aatomist eraldunud (sellisi elektrone nimetatakse tagasilöögielektronideks). Footoni energia väheneb (vastavalt suureneb lainepikkus), muutub ka tema liikumise suund. Comptoni efekt tekib siis, kui röntgenkiirte footoni energia on suurem kui ionisatsioonienergia: , . Sel juhul tekivad tagasilöögi elektronid kineetilise energiaga E K. Aatomid ja molekulid muutuvad ioonideks. Kui E K on oluline, võivad elektronid ioniseerida naaberaatomeid kokkupõrkel, moodustades uusi (sekundaarseid) elektrone.

sisse) Fotoelektriline efekt.

Kui footoni energiast hn piisab elektroni eraldumiseks, siis interaktsioonis aatomiga footon neeldub ja elektron eraldub temast. Seda nähtust nimetatakse fotoelektriliseks efektiks. Aatom on ioniseeritud (fotoiniseerimine). Sel juhul omandab elektron kineetilise energia ja kui viimane on märkimisväärne, siis võib see kokkupõrkel ioniseerida naaberaatomeid, moodustades uusi (sekundaarseid) elektrone. Kui footoni energiast ei piisa ioniseerimiseks, siis võib fotoelektriline efekt avalduda aatomi või molekuli ergastamises. Mõnes aines põhjustab see fotonite järgnevat emissiooni nähtavas kiirguspiirkonnas (röntgenikiirguse luminestsents) ja kudedes - molekulide ja fotokeemiliste reaktsioonide aktiveerimiseni.

Fotoelektriline efekt on tüüpiline footonitele, mille energia suurus on 0,5–1 MeV.

Eespool käsitletud kolm peamist interaktsiooniprotsessi on esmased, need viivad järgnevate sekundaarsete, tertsiaarsete jne. nähtusi. Kui röntgenkiirgus ainesse siseneb, võib enne röntgenfootoni energia muundamist soojusliikumise energiaks toimuda mitmeid protsesse.

Ülaltoodud protsesside tulemusena nõrgeneb primaarne röntgenikiirgus. See protsess järgib Bougueri seadust. Kirjutame selle kujul: Ф =Ф 0 e - mx, kus m on lineaarne sumbumiskoefitsient, mis sõltub aine olemusest (peamiselt tihedusest ja aatomarvust) ning kiirguse lainepikkusest (footoni energia). Seda võib kujutada koosnevana kolmest terminist, mis vastavad koherentsele hajumisele, ebajärjekindlale hajumisele ja fotoelektrilisele efektile: .

Kuna lineaarne neeldumistegur sõltub aine tihedusest, on eelistatav kasutada massi sumbumiskoefitsienti, mis võrdub lineaarse sumbumisteguri suhtega absorberi tihedusse ega sõltu aine tihedusest. . Röntgenikiirguse voo (intensiivsuse) sõltuvus neelava filtri paksusest on näidatud joonisel 7 H 2 O, Al ja Cu puhul. Arvutused näitavad, et 36 mm paksune veekiht, 15 mm alumiinium ja 1,6 mm vask vähendavad röntgenikiirguse intensiivsust 2 korda. Seda paksust nimetatakse poolkihi paksuseks d. Kui aine nõrgendab röntgenkiirgust poole võrra, siis , siis , või , ; ; . Teades poolkihi paksust, saate alati määrata m. Mõõtmed .

4. Röntgenikiirguse kasutamine meditsiinis

(fluoroskoopia, radiograafia, röntgentomograafia, fluorograafia, kiiritusravi).

Röntgenikiirguse üks levinumaid rakendusi meditsiinis on siseorganite transilluminatsioon diagnostilistel eesmärkidel – röntgendiagnostika.

Diagnostikaks kasutatakse footoneid energiaga 60-120 keV. Sel juhul määrab massi neeldumisteguri peamiselt fotoelektriline efekt. Selle väärtus on võrdeline l 3-ga (milles avaldub kõva kiirguse suur läbitungimisjõud) ja võrdeline aine - neelduja aatomite arvu kolmanda astmega: , kus K on proportsionaalsustegur.

Inimkeha koosneb kudedest ja organitest, millel on röntgenikiirguse suhtes erinev neeldumisvõime. Seetõttu tekib selle röntgenkiirtega valgustamisel ekraanile ebaühtlane varjupilt, mis annab pildi siseorganite ja kudede asukohast. Kõige tihedamaid kiirgust neelavaid kudesid (süda, suured veresooned, luud) nähakse tumedana, vähem neelavaid kudesid (kopsud) aga valgusena.

Paljudel juhtudel on võimalik hinnata nende normaalset või patoloogilist seisundit. Röntgendiagnostikas kasutatakse kahte peamist meetodit: fluoroskoopiat (ülekanne) ja radiograafiat (pilt). Kui uuritav elund ja seda ümbritsevad koed neelavad ligikaudu võrdselt röntgenikiirgust, kasutatakse spetsiaalseid kontrastaineid. Nii antakse näiteks mao või soolte röntgenuuringu eelõhtul baariumsulfaadi pudrumass, mille puhul võib näha nende varjupilti. Fluoroskoopias ja radiograafias on röntgenipilt kokkuvõtlik kujutis objekti kogu paksusest, mida röntgenikiirgus läbib. Kõige selgemalt piiritletakse need detailid, mis on ekraanile või filmile lähemal ning kaugemad muutuvad uduseks ja uduseks. Kui mõnes elundis on patoloogiliselt muutunud piirkond, näiteks kopsukoe hävimine ulatusliku põletikukolde sees, siis mõnel juhul võib see piirkond röntgenpildil varjude hulgas "kaotsi minna". Selle nähtavaks tegemiseks kasutatakse spetsiaalset meetodit - tomograafiat (kihiline salvestamine), mis võimaldab pildistada uuritava piirkonna üksikuid kihte. Sellised kihtide kaupa tomogrammid saadakse spetsiaalse aparaadiga, mida nimetatakse tomograafiks, milles röntgentoru (RT) ja filmi (Fp) liigutatakse perioodiliselt koos uuritava ala suhtes antifaasis. Sel juhul läbivad röntgenikiired RT mis tahes asendis objekti sama punkti (muudetud ala), mis on keskpunkt, mille suhtes RT ja FP perioodiliselt liiguvad. Ala varjupilt jäädvustatakse filmile. “Kiigekeskuse” asendit muutes on võimalik saada objektist kihilisi pilte. Kasutades õhukest röntgenikiirt, spetsiaalset ekraani (Fp asemel), mis koosneb ioniseeriva kiirguse pooljuhtdetektoritest, on võimalik pilti arvuti abil tomograafia ajal töödelda. Seda tomograafia kaasaegset varianti nimetatakse kompuutertomograafiaks. Tomograafiat kasutatakse laialdaselt kopsude, neerude, sapipõie, mao, luude jne uurimisel.

Pildi heledus ekraanil ja säriaeg filmil sõltub röntgenkiirguse intensiivsusest. Kasutades seda diagnostikaks, ei saa intensiivsus olla kõrge, et mitte tekitada soovimatut bioloogilist mõju. Seetõttu on mitmeid tehnilisi seadmeid, mis parandavad pildi heledust madala röntgenikiirguse intensiivsusega. Üks neist seadmetest on pildivõimendi toru.

Teiseks näiteks on fluorograafia, mille käigus saadakse pilt tundlikule väikeseformaadilisele filmile suurelt röntgenkiirgusega luminestsentsekraanilt. Pildistamisel kasutatakse suure avaga objektiivi, valminud pilte uuritakse spetsiaalsel luubil.

Fluorograafia ühendab endas suurepärase võime tuvastada varjatud haigusi (rindkere, seedetrakti, ninakõrvalurgete jne haigused) ja märkimisväärse läbilaskevõimega ning on seetõttu väga tõhus massilise (in-line) uurimise meetod.

Kuna röntgenpildi pildistamine fluorograafia ajal toimub fotooptika abil, väheneb fluorogrammil olev pilt võrreldes röntgenpildiga. Sellega seoses on fluorogrammi eraldusvõime (st väikeste detailide nähtavus) väiksem kui tavalisel röntgenpildil, kuid see on suurem kui fluoroskoopia puhul.

Projekteeriti seade - tomofluorograaf, mis võimaldab saada kehaosade ja üksikute elundite fluorogramme etteantud sügavusel - nn kihilisi pilte (lõikeid) - tomofluorogramme.

Röntgenkiirgust kasutatakse ka ravieesmärkidel (röntgenteraapia). Kiirguse bioloogiline toime seisneb rakkude, eriti kiiresti arenevate rakkude elutegevuse häirimises. Sellega seoses kasutatakse pahaloomuliste kasvajate mõjutamiseks röntgenteraapiat. Võimalik on valida kiirgusdoos, mis on piisav kasvaja täielikuks hävitamiseks suhteliselt väikese kahjustusega ümbritsevatele tervetele kudedele, mis taastatakse hilisema regenereerimise tõttu.