Rentgenski talasi. Rentgensko zračenje i njegova primjena u medicini. Spektralna svojstva rendgenskog kočnog zračenja
FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE RF
DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA
VISOKO STRUČNO OBRAZOVANJE
MOSKVSKI DRŽAVNI INSTITUT ZA ČELIK I LEGURE
(TEHNOLOŠKI UNIVERZITET)
NOVOTROITSKY BRANCH
Odjel za OED
NASTAVNI RAD
Disciplina: fizika
Tema: RTG
Student: Nedorezova N.A.
Grupa: EiU-2004-25, br. Z.K.: 04N036
Provjerio: Ozhegova S.M.
Uvod
Poglavlje 1. Otkriće rendgensko zračenje
1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada
1.2 Otkriće rendgenskih zraka
Poglavlje 2. Rendgensko zračenje
2.1 Izvori rendgenskih zraka
2.2 Svojstva rendgenskih zraka
2.3 Detekcija rendgenskih zraka
2.4 Upotreba rendgenskih zraka
Poglavlje 3. Primena rendgenskih zraka u metalurgiji
3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture
3.2 Spektralna analiza
Zaključak
Spisak korištenih izvora
Prijave
Uvod
To je bila rijetka osoba koja nije prošla kroz rendgensku salu. Rendgenske slike su svima poznate. 1995. obilježena je stota godišnjica ovog otkrića. Teško je zamisliti ogromno interesovanje koje je izazvalo pre jednog veka. U rukama čovjeka nalazila se naprava uz pomoć koje je bilo moguće vidjeti nevidljivo.
To je nevidljivo zračenje, sposobno da prodre, iako u različitom stepenu, u sve supstance koje su elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od oko 10 -8 cm nazvano je rendgensko zračenje, u čast Wilhelma Roentgena koji ga je otkrio.
Poput vidljive svjetlosti, rendgenski zraci uzrokuju da fotografski film postane crn. Ovo svojstvo je važno za medicinu, industriju i naučno istraživanje. Prolazeći kroz predmet koji se proučava, a zatim padajući na fotografski film, rendgensko zračenje na njemu oslikava njegovu unutrašnju strukturu. Budući da je penetraciona moć rendgenskog zračenja različita za različite materijale, dijelovi objekta koji su za njega manje transparentni proizvode svjetlije dijelove na fotografiji od onih kroz koje zračenje dobro prodire. Dakle, koštano tkivo je manje transparentno za rendgenske zrake od tkiva koje čini kožu i unutrašnje organe. Stoga će na rendgenskom snimku kosti izgledati kao svjetlija područja, a mjesto prijeloma, koje je manje transparentno za zračenje, može se vrlo lako otkriti. X-zrake se također koriste u stomatologiji za otkrivanje karijesa i apscesa u korijenu zuba, kao i u industriji za otkrivanje pukotina na odljevcima, plastici i gumi, u hemiji za analizu spojeva i u fizici za proučavanje strukture kristala.
Rentgenovo otkriće pratili su eksperimenti drugih istraživača koji su otkrili mnoga nova svojstva i primjene ovog zračenja. Veliki doprinos dali su M. Laue, W. Friedrich i P. Knipping, koji su 1912. demonstrirali difrakciju rendgenskih zraka koji prolaze kroz kristal; W. Coolidge, koji je 1913. izumio rendgensku cijev visokog vakuuma sa zagrijanom katodom; G. Moseley, koji je 1913. uspostavio vezu između talasne dužine zračenja i atomskog broja elementa; G. i L. Bragg, koji je dobio 1915. god nobelova nagrada za razvoj osnova X-zraka strukturalna analiza.
Svrha ovoga rad na kursu je proučavanje fenomena rendgenskog zračenja, istorija otkrića, svojstva i identifikacija obima njegove primjene.
Poglavlje 1. Otkriće rendgenskih zraka
1.1 Biografija Roentgena Wilhelma Conrada
Wilhelm Conrad Roentgen rođen je 17. marta 1845. godine u oblasti Njemačke koja se graniči sa Holandijom, u gradu Lenepe. Tehničko obrazovanje stekao je u Cirihu na istoj Višoj tehničkoj školi (Polytechnic) gdje je kasnije studirao Ajnštajn. Strast prema fizici primorala ga je da, nakon što je završio školu 1866. godine, nastavi školovanje fizike.
Pošto je 1868. odbranio disertaciju za zvanje doktora filozofije, radio je kao asistent na katedri za fiziku, prvo u Cirihu, zatim u Gissenu, a zatim u Strazburu (1874-1879) kod Kundta. Ovdje je Rentgen prošao dobru eksperimentalnu školu i postao prvoklasni eksperimentator. Roentgen je proveo neka od svojih važnih istraživanja sa svojim učenikom, jednim od osnivača sovjetske fizike A.F. Ioffe.
Naučna istraživanja se odnose na elektromagnetizam, kristalnu fiziku, optiku, molekularnu fiziku.
1895. otkrio je zračenje s talasnom dužinom kraćom od ultraljubičastih zraka (X-zrake), kasnije nazvane X-zrake, i proučavao njihova svojstva: sposobnost da se reflektira, apsorbira, ionizira zrak itd. Predložio je ispravan dizajn cijevi za proizvodnju rendgenskih zraka - nagnutu platinastu antikatodu i konkavnu katodu: bio je prvi koji je fotografirao pomoću rendgenskih zraka. On je 1885. godine otkrio magnetsko polje dielektrika koji se kreće u električnom polju (tzv. „struja rendgenskog zraka“). Njegovo iskustvo je jasno pokazalo da magnetsko polje nastaje pokretnim nabojima i bilo je važno za stvaranje elektronska teorija X. Lorentza Značajan broj Rentgenovih radova posvećen je proučavanju svojstava tečnosti, gasova, kristala, elektromagnetne pojave, otkrio vezu između električnih i optičkih fenomena u kristalima. Za otkriće zraka koje nose njegovo ime, Rentgen je bio prvi među fizičarima koji je dobio Nobelovu nagradu 1901.
Od 1900 do zadnji dani Za života (umro je 10. februara 1923.) radio je na Univerzitetu u Minhenu.
1.2 Otkriće rendgenskih zraka
Kraj 19. vijeka je obilježeno pojačanim interesovanjem za fenomene prolaska električne energije kroz gasove. Faraday je također ozbiljno proučavao ove pojave, opisao različite oblike pražnjenja i otkrio tamni prostor u svjetlećem stupcu razrijeđenog plina. Faradejev tamni prostor odvaja plavičasti, katodni sjaj od ružičastog, anodnog sjaja.
Dalje povećanje razrjeđivanja plina značajno mijenja prirodu sjaja. Matematičar Plücker (1801-1868) otkrio je 1859. godine, u dovoljno jakom vakuumu, slabo plavičasti snop zraka koji je izlazio iz katode, koji je dospio do anode i uzrokovao sjaj stakla cijevi. Plückerov učenik Hittorf (1824-1914) 1869. nastavio je istraživanje svog učitelja i pokazao da se na fluorescentnoj površini cijevi pojavljuje izrazita sjena ako se između katode i ove površine postavi čvrsto tijelo.
Goldstein (1850-1931), proučavajući svojstva zraka, nazvao ih je katodnim zracima (1876). Tri godine kasnije, William Crookes (1832-1919) dokazao je materijalnu prirodu katodnih zraka i nazvao ih "zračećom materijom", supstancom u posebnom četvrtom stanju. Njegov dokaz je bio uvjerljiv i vizualan. Eksperimenti s "Crookesovom cijevi" su kasnije demonstrirano u svim učionicama fizike. Skretanje katodnog snopa magnetnim poljem u Crookesovoj cijevi postalo je klasična školska demonstracija.
Međutim, eksperimenti o električnom otklonu katodnih zraka nisu bili tako uvjerljivi. Hertz nije otkrio takvo odstupanje i došao je do zaključka da je katodna zraka oscilatorni proces u eteru. Hercov učenik F. Lenard, eksperimentišući sa katodnim zrakama, pokazao je 1893. da one prolaze kroz prozor prekriven aluminijumskom folijom i izazivaju sjaj u prostoru iza prozora. Herc je posvetio svoj rad fenomenu prolaska katodnih zraka kroz tanka metalna tijela. zadnji članak, objavljen 1892. Počinjao je riječima:
“Katodne zrake se razlikuju od svjetlosti na značajan način u pogledu njihove sposobnosti da prodiru u čvrsta tijela.” Opisujući rezultate eksperimenata na prolasku katodnih zraka kroz listove zlata, srebra, platine, aluminija itd., Hertz napominje da je ne uočavaju nikakve posebne razlike u pojavama Zraci ne prolaze kroz listove pravolinijski, već se raspršuju difrakcijom. Priroda katodnih zraka još je bila nejasna.
Upravo s ovim cijevima Crookesa, Lenarda i drugih eksperimentirao je würzburški profesor Wilhelm Conrad Roentgen krajem 1895. Jednom, na kraju eksperimenta, prekrivši cijev crnim kartonskim poklopcem, ugasio je svjetlo, ali nije ipak isključivši induktor koji je napajao cijev, primijetio je sjaj ekrana od barijevog sinoksida koji se nalazio blizu cijevi. Pogođen ovom okolnošću, Rentgen je počeo da eksperimentiše sa ekranom. U svom prvom izvještaju “O novoj vrsti zraka” od 28. decembra 1895., napisao je o ovim prvim eksperimentima: “Komče papira obloženog barijum-platin sumpor-dioksidom, kada se približi cijevi prekrivenoj poklopcem od tanak crni karton koji prilično čvrsto pristaje uz njega, pri svakom pražnjenju bljeska jakom svjetlošću: počinje fluorescirati. Fluorescencija je vidljiva kada je dovoljno potamnjena i ne zavisi od toga da li je papir sa strane obložen barijum plavim oksidom ili nije prekriven barijum plavim oksidom. Fluorescencija je uočljiva čak i na udaljenosti od dva metra od cijevi.”
Pažljivo ispitivanje je pokazalo Rentgenu „da crni karton, koji nije providan ni za vidljive i ultraljubičaste zrake sunca, ni za zrake električnog luka, prodire neki agens koji izaziva fluorescenciju.“ Roentgen je ispitao prodornu moć ovog „agensa, ” koju je nazvao kratkim "X-zracima", za razne supstance. Otkrio je da zraci slobodno prolaze kroz papir, drvo, ebonit i tanke slojeve metala, ali ih olovo snažno odlaže.
Zatim opisuje senzacionalno iskustvo:
"Ako držite ruku između cijevi za pražnjenje i ekrana, možete vidjeti tamne sjene kostiju u slabim obrisima sjene same ruke." Ovo je bio prvi fluoroskopski pregled ljudskog tijela. Roentgen je također dobio prve rendgenske slike nanošenjem na njegovu ruku.
Ove slike su ostavile ogroman utisak; otkriće još nije bilo završeno, a rendgenska dijagnostika je već započela svoj put. “Moja laboratorija je bila preplavljena doktorima koji su dovodili pacijente koji su sumnjali da imaju igle u različitim dijelovima tijela”, napisao je engleski fizičar Šuster.
Već nakon prvih eksperimenata, Roentgen je čvrsto utvrdio da se rendgenske zrake razlikuju od katodnih, ne nose naboj i ne odbijaju ih magnetsko polje, već ih pobuđuju katodne zrake." X-zrake nisu identične katodnim zracima. , ali ih pobuđuju u staklenim stijenkama cijevi za pražnjenje”, napisao je Roentgen.
Takođe je ustanovio da su uzbuđeni ne samo u staklu, već i u metalima.
Nakon što je spomenuo Hertz-Lennardovu hipotezu da su katodne zrake „fenomen koji se javlja u eteru“, Roentgen ističe da „možemo reći nešto slično o našim zracima“. Međutim, nije uspio otkriti valna svojstva zraka; one se „ponašaju drugačije od do sada poznatih ultraljubičastih, vidljivih i infracrvenih zraka.” Po svom hemijskom i luminiscentnom djelovanju, prema Rentgenu, oni su slični ultraljubičastim zracima. u svojoj prvoj poruci, izneo je pretpostavku ostavljenu kasnije da bi to mogli biti longitudinalni talasi u etru.
Rentgenovo otkriće izazvalo je veliko interesovanje u naučnom svetu. Njegovi eksperimenti su ponovljeni u gotovo svim laboratorijima u svijetu. U Moskvi ih je ponovio P.N. Lebedev. U Sankt Peterburgu je izumitelj radija A.S. Popov je eksperimentisao sa rendgenskim zracima, demonstrirao ih na javnim predavanjima i dobijao razne rendgenske snimke. U Kembridžu D.D. Thomson je odmah iskoristio jonizujući efekat rendgenskih zraka za proučavanje prolaska struje kroz plinove. Njegovo istraživanje dovelo je do otkrića elektrona.
Poglavlje 2. Rendgensko zračenje
Rentgensko zračenje je elektromagnetno jonizujuće zračenje, koje zauzima područje spektra između gama i ultraljubičastog zračenja u talasnim dužinama od 10 -4 do 10 3 (od 10 -12 do 10 -5 cm).R. l. sa talasnom dužinom λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - mekano.
2.1 Izvori rendgenskih zraka
Najčešći izvor rendgenskih zraka je rendgenska cijev.
Rendgenske cijevi se koriste u rendgenskoj strukturnoj analizi
Glavne karakteristike rendgenskih cijevi su maksimalni dozvoljeni napon ubrzanja (1-500 kV), struja elektrona (0,01 mA - 1A), specifična snaga raspršena anodom (10-10 4 W/mm 2), ukupna potrošnja energije (0,002 W - 60 kW) i veličine fokusa (1 µm - 10 mm). Efikasnost rendgenske cijevi je 0,1-3%.
Neki radioaktivni izotopi mogu poslužiti i kao izvori rendgenskih zraka.
Sinhrotroni i prstenovi za skladištenje elektrona sa energijama od nekoliko GeV mogu poslužiti kao izvori mekih rendgenskih zraka sa λ reda desetina i stotina. Intenzitet rendgenskog zračenja sinhrotrona je veći od intenziteta rendgenske cijevi u ovom području spektra za 2-3 reda veličine.
Prirodni izvori rendgenskih zraka su Sunce i drugi svemirski objekti.
2.2 Svojstva rendgenskih zraka
U zavisnosti od mehanizma generisanja rendgenskih zraka, njihovi spektri mogu biti kontinuirani (kočni) ili linijski (karakteristični). Kontinuirani rendgenski spektar emituju brzo nabijene čestice kao rezultat njihovog usporavanja pri interakciji sa ciljnim atomima; ovaj spektar dostiže značajan intenzitet samo kada se meta bombarduje elektronima. Intenzitet kočnog rendgenskog zračenja je raspoređen na svim frekvencijama do visokofrekventne granice 0, na kojoj je energija fotona h 0 (h je Planckova konstanta
Linijsko zračenje nastaje nakon jonizacije atoma sa izbacivanjem elektrona iz jedne od njegovih unutrašnjih ljuski. Takva jonizacija može biti rezultat sudara atoma sa brzom česticom kao što je elektron (primarni X-zraci) ili apsorpcije fotona od strane atoma (fluorescentne X-zrake). Jonizovani atom se nalazi u početnom kvantnom stanju na jednom od visoki nivoi energije i nakon 10 -16 -10 -15 sekundi prelazi u konačno stanje sa nižom energijom. U ovom slučaju, atom može emitovati višak energije u obliku fotona određene frekvencije. Frekvencije linija u spektru takvog zračenja karakteristične su za atome svakog elementa, pa se linijski rendgenski spektar naziva karakterističnim. Zavisnost frekvencije linija ovog spektra od atomskog broja Z određena je Moseleyjevim zakonom.
Moseleyjev zakon, zakon koji se odnosi na frekvenciju spektralnih linija karakterističnog rendgenskog zračenja hemijski element sa svojim serijskim brojem. Eksperimentalno utvrdio G. Moseley
gdje je R Rydbergova konstanta
Moseleyjev zakon je bio nepobitan dokaz ispravnog postavljanja elemenata u periodni sistem elemenata
U skladu sa Moseleyjevim zakonom, rendgenski karakteristični spektri ne otkrivaju periodične obrasce svojstvene optičkim spektrima. Ovo ukazuje da unutrašnje elektronske ljuske atoma svih elemenata, koje se pojavljuju u karakterističnim rendgenskim spektrima, imaju sličnu strukturu.
Kasniji eksperimenti su otkrili neka odstupanja od linearnog odnosa za prijelazne grupe elemenata povezana s promjenom redoslijeda punjenja vanjskih elektronskih omotača, kao i za teške atome, koja su rezultat relativističkih efekata (uvjetno objašnjenih činjenicom da su brzine unutrašnje su uporedive sa brzinom svetlosti).
Ovisno o brojnim faktorima - broju nukleona u jezgru (izotonični pomak), stanju vanjskih elektronskih ljuski (hemijski pomak), itd. - položaj spektralnih linija na Moseley dijagramu može se neznatno promijeniti. Proučavanje ovih pomaka nam omogućava da dobijemo detaljne informacije o atomu.
Rendgensko zračenje kočnog zračenja koje emituju veoma tanke mete potpuno su polarizovane blizu 0; Kako 0 opada, stepen polarizacije se smanjuje. Karakteristično zračenje po pravilu nije polarizovano.
Kada rendgenski zraci stupaju u interakciju sa materijom, može doći do fotoelektričnog efekta.
Kada X-zrake prođu kroz sloj supstance debljine x, njihov početni intenzitet I 0 opada na vrijednost I = I 0 e - μ x gdje je μ koeficijent slabljenja. Do slabljenja I dolazi zbog dva procesa: apsorpcije rendgenskih fotona materijom i promjene njihovog smjera tokom raspršenja. U dugotalasnom području spektra prevladava apsorpcija rendgenskih zraka, u kratkotalasnom području prevladava njihovo raspršivanje. Stepen apsorpcije se brzo povećava sa povećanjem Z i λ. Na primjer, tvrdi rendgenski zraci slobodno prodiru kroz sloj zraka ~ 10 cm; aluminijumska ploča debljine 3 cm slabi rendgenske zrake sa λ = 0,027 upola; meki rendgenski zraci se značajno apsorbuju u vazduhu i njihovo korišćenje i istraživanje moguće je samo u vakuumu ili u gasu koji slabo apsorbuje (npr. He). Kada se X-zraci apsorbuju, atomi supstance postaju jonizovani.
Utjecaj rendgenskih zraka na žive organizme može biti koristan ili štetan ovisno o jonizaciji koju uzrokuju u tkivima. Pošto apsorpcija rendgenskih zraka zavisi od λ, njihov intenzitet ne može poslužiti kao mjera biološkog efekta rendgenskih zraka. Mjerenja rendgenskih zraka koriste se za kvantitativno mjerenje efekta rendgenskih zraka na materiju.
Rasipanje rendgenskih zraka u području velikih Z i λ događa se uglavnom bez promjene λ i naziva se koherentno rasejanje, a u području malih Z i λ po pravilu se povećava (nekoherentno rasejanje). Postoje 2 poznate vrste nekoherentnog raspršenja rendgenskih zraka - Compton i Raman. U Comptonovom rasejanju, koje ima prirodu neelastičnog korpuskularnog rasejanja, usled energije koju delimično gubi rendgenski foton, elektron trzanja izleti iz ljuske atoma. U ovom slučaju energija fotona se smanjuje i njegov smjer se mijenja; promjena λ zavisi od ugla raspršenja. Tokom Ramanskog raspršenja visokoenergetskog rendgenskog fotona na svjetlosnom atomu, mali dio njegove energije troši se na jonizaciju atoma i smjer kretanja fotona se mijenja. Promjena takvih fotona ne zavisi od ugla raspršenja.
Indeks prelamanja n za X-zrake razlikuje se od 1 za vrlo mali iznos δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Fazna brzina rendgenskih zraka u mediju je veća od brzine svjetlosti u vakuumu. Otklon rendgenskih zraka pri prelasku iz jednog medija u drugi je vrlo mali (nekoliko minuta luka). Kada rendgenske zrake padaju iz vakuuma na površinu tijela pod vrlo malim uglom, potpuno se reflektiraju spolja.
2.3 Detekcija rendgenskih zraka
Ljudsko oko nije osjetljivo na rendgenske zrake. rendgenski snimak
Zraci se snimaju pomoću specijalnog rendgenskog fotografskog filma koji sadrži povećanu količinu Ag i Br. U regionu λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, osjetljivost običnog pozitivnog fotografskog filma je prilično visoka, a njegova zrna su mnogo manja od zrna rendgenskog filma, što povećava rezoluciju. Na λ reda desetina i stotina, rendgenski zraci djeluju samo na najtanje površinski sloj fotografske emulzije; Da bi se povećala osjetljivost filma, senzibilizira se luminiscentnim uljima. U rendgenskoj dijagnostici i detekciji kvarova, elektrofotografija se ponekad koristi za snimanje rendgenskih zraka.
Rendgenski zraci visokog intenziteta mogu se snimiti pomoću jonizacijske komore
2.4 Upotreba rendgenskih zraka
X-zrake se najčešće koriste u medicini za rendgensku dijagnostiku.
Analiza rendgenske strukture
Rentgenska mikroskopija
X-zrake koje dolaze iz svemira nose informacije o hemijskom sastavu kosmička tela i o fizičkim procesima koji se dešavaju u svemiru. Rentgenska astronomija proučava kosmičke X-zrake.
Poglavlje 3. Primena rendgenskih zraka u metalurgiji
Jedan od glavnih zadataka analize rendgenske difrakcije je određivanje materijalnog ili faznog sastava materijala. Metoda rendgenske difrakcije je direktna i odlikuje se visokom pouzdanošću, brzinom i relativnom jeftinošću. Metoda ne zahtijeva veliku količinu tvari, analiza se može izvesti bez uništavanja dijela. Područja primjene kvalitativne fazne analize su vrlo raznolika, kako za istraživanje tako i za kontrolu u proizvodnji. Možete provjeriti sastav polaznih materijala metalurške proizvodnje, proizvode sinteze, preradu, rezultat faznih promjena tokom termičke i hemijsko-termalne obrade, analizirati različite prevlake, tanke filmove itd.
Svaku fazu, koja ima svoju kristalnu strukturu, karakterizira određeni skup diskretnih vrijednosti međuplanarnih udaljenosti d/n, svojstvenih samo ovoj fazi, od maksimuma i ispod. Kao što slijedi iz Wulff-Braggove jednačine, svaka vrijednost međuplanarne udaljenosti odgovara liniji na dijagramu difrakcije rendgenskih zraka iz polikristalnog uzorka pod određenim kutom θ (za datu valnu dužinu λ). Dakle, određeni skup interplanarnih udaljenosti za svaku fazu u dijagramu difrakcije rendgenskih zraka odgovarat će određenom sistemu linija (difrakcijski maksimumi). Relativni intenzitet ovih linija u dijagramu rendgenske difrakcije zavisi prvenstveno od strukture faze. Dakle, određivanjem položaja linija na rendgenskoj slici (njegov ugao θ) i poznavanjem talasne dužine zračenja na kojoj je rendgenska slika snimljena, možemo odrediti vrednosti međuplanarnih udaljenosti d/ n koristeći Wulff-Bragg formulu:
/n = λ/ (2sin θ). (1)
Određivanjem skupa d/n za materijal koji se proučava i poređenjem sa prethodno poznatim d/n podacima za čiste supstance i njihova različita jedinjenja, moguće je odrediti koja faza čini dati materijal. Treba naglasiti da se određuju faze, a ne hemijski sastav, ali se potonje ponekad može zaključiti ako postoje dodatni podaci o elementarnom sastavu određene faze. Zadatak kvalitativne fazne analize uvelike je olakšan ako je poznat hemijski sastav materijala koji se proučava, jer se tada mogu napraviti preliminarne pretpostavke o mogućim u ovom slučaju faze.
Glavna stvar za faznu analizu je precizno mjerenje d/n i intenziteta linije. Iako je to u principu lakše postići korištenjem difraktometra, fotometoda za kvalitativnu analizu ima neke prednosti, prije svega u smislu osjetljivosti (mogućnost detekcije prisustva male količine faze u uzorku), kao i jednostavnosti analize. eksperimentalna tehnika.
Izračunavanje d/n iz uzorka difrakcije rendgenskih zraka vrši se korištenjem Wulff-Braggove jednadžbe.
Vrijednost λ u ovoj jednačini se obično koristi λ α avg K-serije:
λ α av = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Ponekad se koristi linija K α1. Određivanje uglova difrakcije θ za sve linije rendgenskih fotografija omogućava vam da izračunate d/n pomoću jednačine (1) i odvojenih β-linija (ako nije postojao filter za (β-zrake).
3.1 Analiza nesavršenosti kristalne strukture
Svi pravi monokristalni, a posebno polikristalni materijali sadrže određene strukturne nesavršenosti (tačkaste defekte, dislokacije, različite vrste interfejsa, mikro- i makronaprezanja), koje imaju veoma snažan uticaj na sva strukturno osetljiva svojstva i procese.
Strukturne nesavršenosti uzrokuju poremećaje različite prirode kristalna rešetka i, kao posljedica toga, različite vrste promjena u difrakcijskom uzorku: promjene međuatomskih i interplanarnih udaljenosti uzrokuju pomak difrakcijskih maksimuma, mikronaprezanja i disperzija podstrukture dovode do širenja difrakcijskih maksimuma, mikrodistorzije rešetke dovode do promjene intenziteta ovih maksimuma , prisustvo dislokacija uzrokuje anomalne pojave tokom prolaska rendgenskih zraka i, prema tome, lokalne kontrastne nehomogenosti na rendgenskim topogramima itd.
Kao rezultat toga, analiza difrakcije rendgenskih zraka jedna je od najinformativnijih metoda za proučavanje strukturnih nesavršenosti, njihove vrste i koncentracije, te prirode distribucije.
Tradicionalna direktna metoda difrakcije rendgenskih zraka, koja se primjenjuje na stacionarnim difraktometrima, zbog svojih konstrukcijskih karakteristika omogućava kvantitativno određivanje napona i deformacija samo na malim uzorcima izrezanim iz dijelova ili predmeta.
Stoga je trenutno došlo do prijelaza sa stacionarnih na prijenosne rendgenske difraktometre malih dimenzija, koji omogućavaju procjenu naprezanja u materijalu dijelova ili predmeta bez razaranja u fazama njihove proizvodnje i rada.
Prijenosni rendgenski difraktometri serije DRP * 1 omogućavaju vam praćenje zaostalih i efektivnih napona u velikim dijelovima, proizvodima i strukturama bez razaranja
Program u Windows okruženje omogućava ne samo određivanje napona metodom “sin 2 ψ” u realnom vremenu, već i praćenje promjena u faznom sastavu i teksturi. Linearni koordinatni detektor omogućava istovremenu registraciju pri uglovima difrakcije od 2θ = 43°. Rendgenske cijevi male veličine tipa "Fox" velike svjetline i male snage (5 W) osiguravaju radiološka sigurnost uređaja, u kojem je na udaljenosti od 25 cm od ozračenog područja nivo zračenja jednak prirodni nivo pozadine. Uređaji serije DRP se koriste za određivanje napona u različitim fazama oblikovanja metala, tokom rezanja, brušenja, termičke obrade, zavarivanja, površinskog kaljenja u cilju optimizacije ovih tehnoloških operacija. Praćenje pada nivoa indukovanih zaostalih tlačnih napona u posebno kritičnim proizvodima i konstrukcijama tokom njihovog rada omogućava da se proizvod povuče iz upotrebe pre nego što bude uništen, čime se sprečavaju moguće nezgode i katastrofe.
3.2 Spektralna analiza
Uz određivanje atomske kristalne strukture i faznog sastava materijala za njegovu pune karakteristike Obavezno je odrediti njegov hemijski sastav.
U te svrhe u praksi se sve više koriste različite takozvane instrumentalne metode spektralne analize. Svaki od njih ima svoje prednosti i primjenu.
Jedan od važnih zahtjeva u mnogim slučajevima je da korištena metoda osigurava sigurnost analiziranog objekta; Upravo o ovim metodama analize govori se u ovom odeljku. Sljedeći kriterij prema kojem su odabrane metode analize opisane u ovom dijelu je njihova lokacija.
Metoda fluorescentne rendgenske spektralne analize zasniva se na prodiranju prilično tvrdog rendgenskog zračenja (iz rendgenske cijevi) u analizirani objekt, prodirući u sloj debljine oko nekoliko mikrometara. Karakteristično rendgensko zračenje koje se pojavljuje u objektu omogućava da se dobiju prosječni podaci o njegovom kemijskom sastavu.
Za određivanje elementarnog sastava tvari možete koristiti analizu spektra karakterističnog rendgenskog zračenja uzorka postavljenog na anodu rendgenske cijevi i podvrgnutog bombardiranju elektronima - emisionom metodom ili analizom spektar sekundarnog (fluorescentnog) rendgenskog zračenja uzorka ozračenog tvrdim rendgenskim zracima iz rendgenske cijevi ili drugog izvora - fluorescentna metoda.
Nedostatak emisione metode je, prvo, potreba da se uzorak postavi na anodu rendgenske cijevi, a zatim da se ispumpa vakuum pumpama; Očigledno, ova metoda nije prikladna za topljive i isparljive tvari. Drugi nedostatak je povezan s činjenicom da su čak i vatrostalni objekti oštećeni bombardiranjem elektrona. Fluorescentna metoda nema ovih nedostataka i stoga ima mnogo širu primjenu. Prednost fluorescentne metode je i odsustvo kočnog zračenja, što poboljšava osjetljivost analize. Poređenje izmjerenih valnih dužina sa tabelama spektralnih linija hemijskih elemenata čini osnovu kvalitativne analize, a relativne vrijednosti intenziteta spektralnih linija različitih elemenata koji čine uzorak supstance čine osnovu kvantitativne analize. Iz ispitivanja mehanizma pobuđivanja karakterističnog rendgenskog zračenja jasno je da zračenje jedne ili druge serije (K ili L, M, itd.) nastaje istovremeno, a omjeri intenziteta linija unutar serije su uvijek konstantni. . Stoga se prisutnost jednog ili drugog elementa utvrđuje ne pojedinačnim linijama, već nizom linija u cjelini (osim najslabijih, uzimajući u obzir sadržaj danog elementa). Za relativno lake elemente koristi se analiza linija K-serije, za teške elemente - linija L-serije; pod različitim uslovima (u zavisnosti od opreme koja se koristi i elemenata koji se analiziraju), različita područja karakterističnog spektra mogu biti najpogodnija.
Glavne karakteristike rendgenske spektralne analize su sljedeće.
Jednostavnost rendgenskih karakterističnih spektra čak i za teški elementi(u poređenju sa optičkim spektrom), što pojednostavljuje analizu (mali broj linija; sličnost u njihovim relativnu poziciju; sa povećanjem serijskog broja, dolazi do prirodnog pomeranja spektra u kratkotalasno područje, čineći kvantitativnu analizu relativno jednostavnijom).
Nezavisnost valnih dužina od stanja atoma analiziranog elementa (slobodan ili u hemijsko jedinjenje). To je zbog činjenice da je pojava karakterističnog rendgenskog zračenja povezana s pobuđivanjem unutarnjih elektronskih nivoa, koji se u većini slučajeva praktički ne mijenjaju ovisno o stupnju ionizacije atoma.
Mogućnost odvajanja u analizi rijetkih zemalja i nekih drugih elemenata koji imaju male razlike u spektrima u optičkom opsegu zbog sličnosti elektronske strukture vanjskih ljuski i vrlo se malo razlikuju po svojim kemijskim svojstvima.
Metoda rendgenske fluorescentne spektroskopije je „nedestruktivna“, pa ima prednost u odnosu na konvencionalnu metodu optičke spektroskopije kada se analiziraju tanki uzorci – tanki metalni lim, folija itd.
Spektrometri rendgenske fluorescencije dobili su posebno široku primenu u metalurškim preduzećima, uključujući višekanalne spektrometre ili kvantometre koji omogućavaju brzu kvantitativnu analizu elemenata (od Na ili Mg do U) sa greškom manjom od 1% utvrđene vrednosti, pragom osetljivosti od 10 -3 ... 10 -4% .
rendgenski snop
Metode za određivanje spektralnog sastava rendgenskog zračenja
Spektrometri se dijele na dva tipa: kristalno difrakcijski i bez kristala.
Razlaganje rendgenskih zraka u spektar pomoću prirodne difrakcijske rešetke - kristala - u suštini je slično dobivanju spektra običnih svjetlosnih zraka korištenjem umjetne difrakcijske rešetke u obliku periodičnih linija na staklu. Uslov za formiranje difrakcionog maksimuma može se zapisati kao uslov „odbijanja“ od sistema paralelnih atomskih ravni razdvojenih rastojanjem d hkl.
Prilikom kvalitativne analize može se suditi o prisutnosti određenog elementa u uzorku po jednoj liniji - obično najintenzivnijoj liniji spektralnog niza pogodnoj za dati kristalni analizator. Rezolucija spektrometara kristalne difrakcije dovoljna je da odvoji karakteristične linije parnih elemenata koji su susedni po položaju u periodnom sistemu. Međutim, moramo uzeti u obzir i preklapanje različitih linija različitih elemenata, kao i preklapanje refleksija različitih redova. Ovu okolnost treba uzeti u obzir pri odabiru analitičkih linija. Istovremeno, potrebno je iskoristiti mogućnosti poboljšanja rezolucije uređaja.
Zaključak
Dakle, X-zraci su nevidljivo elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 10 5 - 10 2 nm. X-zrake mogu prodrijeti u neke materijale koji su neprozirni za vidljivu svjetlost. Emituju se prilikom usporavanja brzih elektrona u supstanci (neprekidni spektar) i tokom prelaza elektrona sa spoljašnjih elektronskih omotača atoma na unutrašnje (linijski spektar). Izvori rendgenskog zračenja su: rendgenska cijev, neki radioaktivni izotopi, akceleratori i uređaji za skladištenje elektrona (sinhrotronsko zračenje). Prijemnici - fotografski film, fluorescentni ekrani, detektori nuklearnog zračenja. X-zrake se koriste u analizi difrakcije rendgenskih zraka, medicini, detekciji mana, rendgenskoj spektralnoj analizi itd.
Uzimajući u obzir pozitivne strane otkriće V. Roentgena, potrebno je napomenuti njegovo štetno biološko djelovanje. Pokazalo se da rendgensko zračenje može izazvati nešto poput jakih opekotina od sunca (eritema), praćenih, međutim, dubljim i trajnijim oštećenjem kože. Čirevi koji se pojavljuju često se pretvaraju u rak. U mnogim slučajevima, prsti ili šake su morali biti amputirani. Bilo je i smrtnih slučajeva.
Utvrđeno je da se oštećenje kože može izbjeći smanjenjem vremena izlaganja i doze, korištenjem zaštite (npr. olovo) i daljinskih upravljača. No, postupno su se pojavile i druge, dugotrajnije posljedice zračenja rendgenskim zrakama, koje su potom potvrđene i proučavane na eksperimentalnim životinjama. Efekti uzrokovani rendgenskim zračenjem i drugim jonizujućim zračenjem (kao što je gama zračenje koje emituju radioaktivni materijali) uključuju:
) privremene promjene sastava krvi nakon relativno malog viška zračenja;
) nepovratne promjene u sastavu krvi (hemolitička anemija) nakon dugotrajnog prekomjernog zračenja;
) povećana incidencija raka (uključujući leukemiju);
) brže starenje i ranija smrt;
) pojava katarakte.
Biološki uticaj rendgenskog zračenja na ljudski organizam određen je nivoom doze zračenja, kao i organom koji je bio izložen zračenju.
Akumulacija znanja o uticaju rendgenskog zračenja na ljudski organizam dovela je do razvoja nacionalnih i međunarodnih standarda za dozvoljene doze zračenja, objavljenih u različitim referentnim publikacijama.
Da bi se izbjeglo štetno djelovanje rendgenskog zračenja, koriste se metode kontrole:
) dostupnost adekvatne opreme,
) praćenje poštivanja sigurnosnih propisa,
) pravilnu upotrebu opreme.
Spisak korištenih izvora
1) Blokhin M.A., Fizika X-zraka, 2. izd., M., 1957;
) Blokhin M.A., Metode rendgenskih spektralnih studija, M., 1959;
) X-zrake. Sat. uređeno od M.A. Blokhina, per. s njim. i engleski, M., 1960;
) Kharaja F., Opšti kurs Rendgensko inženjerstvo, 3. izd., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Priručnik o rendgenskoj strukturnoj analizi polikristala, M., 1961;
) Vainshtein E.E., Kahana M.M., Referentne tablice za rendgensku spektroskopiju, M., 1953.
) Rentgenska i elektronsko-optička analiza. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Udžbenik. Priručnik za univerzitete. - 4. izd. Dodati. I prerađeno. - M.: "MISiS", 2002. - 360 str.
Prijave
Aneks 1
Opšti pogled na rendgenske cijevi
Dodatak 2
Dijagram rendgenske cijevi za strukturnu analizu
Dijagram rendgenske cijevi za strukturnu analizu: 1 - metalna anodna čašica (obično uzemljena); 2 - berilijumski prozori za rendgensko emitovanje; 3 - termoionska katoda; 4 - staklena tikvica, koja izoluje anodni dio cijevi od katode; 5 - katodni terminali na koje se dovodi napon žarne niti, kao i visoki (u odnosu na anodu) napon; 6 - elektrostatički sistem fokusiranja elektrona; 7 - anoda (antikatoda); 8 - cijevi za ulaz i izlaz tekuće vode koja hladi anodnu čašu.
Dodatak 3
Moseley dijagram
Moseley dijagram za K-, L- i M-seriju karakterističnog rendgenskog zračenja. Osa apscise prikazuje serijski broj elementa Z, a osa ordinata ( With- brzina svjetlosti).
Dodatak 4
Jonizaciona komora.
Fig.1. Poprečni presjek cilindrične jonizacijske komore: 1 - tijelo cilindrične komore, koja služi kao negativna elektroda; 2 - cilindrična šipka koja služi kao pozitivna elektroda; 3 - izolatori.
Rice. 2. Šema za uključivanje strujne jonizacione komore: V - napon na elektrodama komore; G - galvanometar koji mjeri jonizacionu struju.
Rice. 3. Strujno-naponske karakteristike jonizacijske komore.
Rice. 4. Šema povezivanja pulsne jonizacione komore: C - kapacitet sabirne elektrode; R - otpor.
Dodatak 5
Scintilacioni brojač.
Krug scintilacionog brojača: kvanti svjetlosti (fotoni) „izbijaju“ elektrone sa fotokatode; krećući se od dinoda do dinoda, lavina elektrona se umnožava.
Dodatak 6
Geiger-Muller brojač.
Rice. 1. Šema staklenog Geiger-Müller brojača: 1 - hermetički zatvorena staklena cijev; 2 - katoda (tanki sloj bakra na cijevi od nehrđajućeg čelika); 3 - katodni izlaz; 4 - anoda (tanka rastegnuta nit).
Rice. 2. Šema za povezivanje Geiger-Müller brojača.
Rice. 3. Brojne karakteristike Geiger-Müllerovog brojača.
Dodatak 7
Proporcionalni brojač.
Šema proporcionalnog brojača: a - oblast drifta elektrona; b - oblast pojačanja gasa.
Dodatak 8
Poluprovodnički detektori
Poluvodički detektori; Osetljivo područje je istaknuto senčenjem; n - oblast poluprovodnika sa elektronskom provodljivošću, p - sa provodljivošću rupa, i - sa intrinzičnom provodljivošću; a - silikonski površinski detektor barijere; b - drift germanijum-litijum planarni detektor; c - germanijum-litijum koaksijalni detektor.
kratak opis rendgensko zračenje
Rendgensko zračenje je elektromagnetnih talasa(tok kvanta, fotona), čija se energija nalazi na energetskoj skali između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja (slika 2-1). Rentgenski fotoni imaju energiju od 100 eV do 250 keV, što odgovara zračenju sa frekvencijom od 3×10 16 Hz do 6×10 19 Hz i talasnom dužinom od 0,005-10 nm. Elektromagnetski spektri rendgenskih zraka i gama zračenja se u velikoj mjeri preklapaju.
Rice. 2-1. Skala elektromagnetnog zračenja
Glavna razlika između ove dvije vrste zračenja je način na koji nastaju. Rentgensko zračenje se proizvodi uz učešće elektrona (na primjer, kada je njihov tok usporen), a gama zraci nastaju tijekom radioaktivnog raspada jezgara određenih elemenata.
X-zrake se mogu generirati kada se ubrzani tok nabijenih čestica usporava (takozvani kočni zrak) ili kada se u elektronskim omotačima atoma javljaju prijelazi visoke energije (karakteristično zračenje). Medicinski uređaji koriste rendgenske cijevi za generiranje rendgenskih zraka (slika 2-2). Njihove glavne komponente su katoda i masivna anoda. Elektroni koji se emituju zbog razlike u električnom potencijalu između anode i katode ubrzavaju se, stižu do anode i usporavaju se kada se sudare s materijalom. Kao rezultat toga, dolazi do rendgenskog kočnog zračenja. Prilikom sudara elektrona sa anodom, dolazi i do drugog procesa - elektroni se izbacuju iz elektronskih ljuski atoma anode. Njihova mjesta zauzimaju elektroni iz drugih omotača atoma. Tokom ovog procesa nastaje drugi tip rendgenskog zračenja - takozvano karakteristično rendgensko zračenje, čiji spektar u velikoj mjeri ovisi o materijalu anode. Anode se najčešće izrađuju od molibdena ili volframa. Dostupni su posebni uređaji za fokusiranje i filtriranje rendgenskih zraka kako bi se poboljšale rezultirajuće slike.
Rice. 2-2.Šema uređaja sa rendgenskom cijevi:
Osobine rendgenskih zraka koje predodređuju njihovu upotrebu u medicini su sposobnost prodiranja, fluorescentni i fotohemijski efekti. Prodorna sposobnost rendgenskih zraka i njihova apsorpcija u tkivima ljudskog tijela i umjetnim materijalima najvažnija su svojstva koja određuju njihovu primjenu u radijacijskoj dijagnostici. Što je talasna dužina kraća, to je veća moć prodiranja rendgenskih zraka.
Postoje “meki” rendgenski zraci sa niskom energijom i frekvencijom zračenja (prema najdužoj talasnoj dužini) i “tvrdi” rendgenski zraci koji imaju visoku energiju fotona i frekvenciju zračenja i kratku talasnu dužinu. Talasna dužina rendgenskog zračenja (odnosno njegova “tvrdoća” i moć prodiranja) zavisi od napona primijenjenog na rendgensku cijev. Što je veći napon na cijevi, veća je brzina i energija protoka elektrona i kraća je valna dužina rendgenskih zraka.
Kada rendgensko zračenje koje prodire kroz supstancu stupa u interakciju, kvalitativno i kvantitativne promjene. Stupanj apsorpcije rendgenskih zraka od strane tkiva varira i određen je gustinom i atomskom težinom elemenata koji čine predmet. Što je veća gustoća i atomska težina supstance koja čini predmet (organ) koji se proučava, to se više rendgenskih zraka apsorbira. Ljudsko tijelo sadrži tkiva i organe različite gustine (pluća, kosti, meka tkiva itd.), što objašnjava različitu apsorpciju rendgenskih zraka. Vizualizacija se zasniva na vještačkim ili prirodnim razlikama u apsorpciji rendgenskih zraka od strane različitih organa i tkiva unutrašnje organe i strukture.
Za registrovanje zračenja koje prolazi kroz tijelo koristi se njegova sposobnost da izazove fluorescenciju određenih spojeva i fotokemijski djeluje na film. U tu svrhu koriste se posebni ekrani za fluoroskopiju i fotografski filmovi za radiografiju. U savremenim rendgenskim aparatima za snimanje oslabljenog zračenja koriste se posebni sistemi digitalnih elektronskih detektora - digitalni elektronski paneli. U ovom slučaju, rendgenske metode se nazivaju digitalnim.
Zbog biološkog dejstva rendgenskih zraka, izuzetno je važno zaštititi pacijente tokom pregleda. To se postiže
najkraće moguće vreme izlaganja, zamena fluoroskopije radiografijom, striktno opravdana upotreba jonizujućih metoda, zaštita zaštitom pacijenta i osoblja od izlaganja zračenju.
Kratak opis rendgenskog zračenja - pojam i vrste. Klasifikacija i karakteristike kategorije "Kratke karakteristike rendgenskog zračenja" 2017, 2018.
Rentgensko zračenje, sa stanovišta fizike, je elektromagnetno zračenje čija se talasna dužina kreće u rasponu od 0,001 do 50 nanometara. Otkrio ga je 1895. godine njemački fizičar V.K. Roentgen.
Po prirodi su ove zrake povezane sa sunčevim ultraljubičastim zračenjem. Radio talasi su najduži u spektru. Iza njih dolazi infracrvena svjetlost koju naše oči ne percipiraju, ali je osjećamo kao toplinu. Slijede zraci od crvene do ljubičaste. Zatim - ultraljubičasto (A, B i C). A odmah iza toga su rendgenski zraci i gama zračenje.
X-zrake se mogu dobiti na dva načina: usporavanjem nabijenih čestica koje prolaze kroz supstancu i prelaskom elektrona iz viših u unutrašnje slojeve kada se energija oslobađa.
Za razliku od vidljive svjetlosti, ove zrake su vrlo dugačke, pa su u stanju prodrijeti u neprozirne materijale, a da se u njima ne reflektiraju, lome ili nakupljaju.
Lakše je nabaviti kočnicu. Nabijene čestice emituju elektromagnetno zračenje prilikom kočenja. Što je veće ubrzanje ovih čestica i, stoga, oštrije usporavanje, proizvodi se više rendgenskog zračenja, a dužina njegovih valova postaje kraća. U većini slučajeva, u praksi, pribjegavaju proizvodnji zraka prilikom usporavanja elektrona u čvrstim tvarima. To omogućava kontrolu izvora ovog zračenja bez opasnosti od izlaganja zračenju, jer kada se izvor isključi, rendgensko zračenje potpuno nestaje.
Najčešći izvor takvog zračenja je da je zračenje koje ono emituje nehomogeno. Sadrži i meko (dugotalasno) i tvrdo (kratkotalasno) zračenje. Meko zračenje karakterizira činjenica da ga ljudski organizam potpuno apsorbira, pa takvo rendgensko zračenje uzrokuje dvostruko više štete od tvrdog zračenja. Kada je izložena prekomjernom elektromagnetnom zračenju u ljudskom tkivu, jonizacija može uzrokovati oštećenje stanica i DNK.
Cijev ima dvije elektrode - negativnu katodu i pozitivnu anodu. Kada se katoda zagrije, elektroni isparavaju iz nje, a zatim se ubrzavaju u električnom polju. Kada se suoče s čvrstom tvari anoda, one počinju usporavati, što je praćeno emisijom elektromagnetnog zračenja.
Rentgensko zračenje, čija se svojstva široko koriste u medicini, temelji se na dobivanju slike sjene predmeta koji se proučava na osjetljivom ekranu. Ako je organ koji se dijagnosticira osvijetljen snopom zraka paralelnih jedna s drugom, tada će se projekcija sjena iz ovog organa prenositi bez izobličenja (proporcionalno). U praksi, izvor zračenja je sličniji tačkastom izvoru, pa se nalazi na udaljenosti od osobe i od ekrana.
Da bi se dobio, osoba se postavlja između rendgenske cijevi i ekrana ili filma koji djeluje kao prijemnik zračenja. Kao rezultat zračenja, kost i druga gusta tkiva pojavljuju se na slici kao očigledne sjene, koje se pojavljuju u većem kontrastu na pozadini manje ekspresivnih područja koja prenose tkiva sa manje apsorpcije. Na rendgenskim snimcima osoba postaje "prozirna".
Kako se X-zraci šire, mogu se raspršiti i apsorbirati. Zrake mogu putovati stotine metara u vazduhu pre nego što se apsorbuju. U gustoj materiji apsorbuju se mnogo brže. Ljudska biološka tkiva su heterogena, pa njihova apsorpcija zraka zavisi od gustine tkiva organa. apsorbira zrake brže od mekog tkiva jer sadrži tvari s visokim atomskim brojem. Fotone (pojedinačne čestice zraka) različita tkiva ljudskog tijela apsorbiraju na različite načine, što omogućava dobivanje kontrastne slike pomoću rendgenskih zraka.
Rendgensko zračenje (sinonim X-zrake) je širokog raspona talasnih dužina (od 8·10 -6 do 10 -12 cm). Rendgensko zračenje nastaje kada se nabijene čestice, najčešće elektroni, usporavaju u električnom polju atoma tvari. Kvanti formirani u ovom slučaju imaju različite energije i formiraju kontinuirani spektar. Maksimalna energija kvanta u takvom spektru jednaka je energiji upadnih elektrona. B (cm.) maksimalna energija Kvanti rendgenskih zraka, izraženi u kiloelektron-voltima, numerički su jednaki veličini napona primijenjenog na cijev, izraženo u kilovoltima. Kada X-zrake prolaze kroz supstancu, one stupaju u interakciju s elektronima njenih atoma. Za kvante X-zraka sa energijama do 100 keV, najkarakterističniji tip interakcije je fotoelektrični efekat. Kao rezultat takve interakcije, energija kvanta se u potpunosti troši na cijepanje elektrona iz atomskog omotača i prenošenje kinetičke energije na njega. Kako se energija rendgenskog kvanta povećava, vjerovatnoća fotoelektričnog efekta se smanjuje i proces raspršivanja kvanata slobodnim elektronima - takozvani Comptonov efekat - postaje dominantan. Kao rezultat takve interakcije nastaje i sekundarni elektron, a uz to se emituje kvant sa energijom manjom od energije primarnog kvanta. Ako energija rendgenskog kvanta prelazi jedan megaelektron-volt, može doći do takozvanog efekta uparivanja, u kojem se formiraju elektron i pozitron (vidi). Posljedično, pri prolasku kroz supstancu, energija rendgenskog zračenja se smanjuje, odnosno smanjuje se njegov intenzitet. Pošto se apsorpcija niskoenergetskih kvanta javlja s većom vjerovatnoćom, rendgensko zračenje je obogaćeno kvantima veće energije. Ovo svojstvo rendgenskog zračenja koristi se za povećanje prosječne energije kvanta, odnosno za povećanje njegove tvrdoće. Povećanje tvrdoće rendgenskog zračenja postiže se pomoću posebnih filtera (vidi). Rentgensko zračenje se koristi za rendgensku dijagnostiku (vidi) i (vidi). Vidi i jonizujuće zračenje.
Rendgensko zračenje (sinonim: x-zraci, x-zraci) je kvantno elektromagnetno zračenje sa talasnom dužinom od 250 do 0,025 A (ili kvanti energije od 5·10 -2 do 5·10 2 keV). Godine 1895. otkrio ga je V.K. Roentgen. Spektralno područje elektromagnetnog zračenja u blizini rendgenskog zračenja, čiji kvanti energije prelaze 500 keV, naziva se gama zračenje (vidi); zračenje čiji su kvanti energije ispod 0,05 kev čini ultraljubičasto zračenje (vidi).
Dakle, predstavljajući relativno mali dio ogromnog spektra elektromagnetnog zračenja, koji uključuje i radio valove i vidljivu svjetlost, rendgensko zračenje, kao i svako elektromagnetno zračenje, širi se brzinom svjetlosti (u vakuumu od oko 300 hiljada km/ sec) i karakteriše ga talasna dužina λ ( rastojanje preko koje zračenje putuje u jednom periodu oscilovanja). Rentgensko zračenje ima i niz drugih valnih svojstava (prelamanje, interferencija, difrakcija), ali ih je mnogo teže uočiti od zračenja veće talasne dužine: vidljiva svjetlost, radio valovi.
Spektri X zraka: a1 - kontinuirani spektar kočnog zračenja na 310 kV; a - kontinuirani kočni spektar na 250 kV, a1 - spektar filtriran sa 1 mm Cu, a2 - spektar filtriran sa 2 mm Cu, b - K-serija volfram linija.
Za generiranje rendgenskog zračenja koriste se rendgenske cijevi (vidi) u kojima se zračenje javlja kada brzi elektroni interaguju s atomima anodne tvari. Postoje dvije vrste rendgenskog zračenja: kočno i karakteristično. Rendgenski zraci kočnog zračenja imaju kontinuirani spektar, sličan običnoj bijeloj svjetlosti. Distribucija intenziteta u zavisnosti od talasne dužine (slika) je predstavljena krivom sa maksimumom; prema dugim talasima kriva pada ravno, a prema kratkim talasima pada strmo i završava se na određenoj talasnoj dužini (λ0), koja se naziva kratkotalasna granica kontinuiranog spektra. Vrijednost λ0 je obrnuto proporcionalna naponu na cijevi. Do kočnog zračenja dolazi kada brzi elektroni interaguju sa atomskim jezgrama. Intenzitet kočnog zračenja direktno je proporcionalan jačini anodne struje, kvadratu napona na cijevi i atomskom broju (Z) anodne tvari.
Ako energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi prelazi vrijednost kritičnu za anodnu tvar (ova energija je određena naponom Vcr kritičnim za ovu tvar na cijevi), tada se javlja karakteristično zračenje. Karakteristični spektar je iscrtan; njegove spektralne linije čine niz, označen slovima K, L, M, N.
K serija je najkraća talasna dužina, serija L je duža talasna dužina, serije M i N se primećuju samo u teškim elementima (Vcr volframa za K-seriju je 69,3 kV, za L-seriju - 12,1 kV). Karakteristično zračenje nastaje na sljedeći način. Brzi elektroni izbijaju atomske elektrone iz njihovih unutrašnjih omotača. Atom se pobuđuje, a zatim se vraća u osnovno stanje. U ovom slučaju, elektroni iz vanjskih, manje vezanih ljuski ispunjavaju prazne unutrašnje školjke mjesta, a fotoni karakterističnog zračenja se emituju s energijom koja je jednaka razlici energija atoma u pobuđenom i osnovnom stanju. Ova razlika (a samim tim i energija fotona) ima određenu vrijednost karakterističnu za svaki element. Ovaj fenomen leži u osnovi rendgenske spektralne analize elemenata. Slika prikazuje linijski spektar volframa na pozadini kontinuiranog spektra kočnog zračenja.
Energija ubrzanih elektrona u rendgenskoj cijevi gotovo se u potpunosti pretvara u toplinsku energiju (anoda postaje vrlo vruća), samo mali dio (oko 1% na naponu blizu 100 kV) se pretvara u energiju kočnog zraka.
Upotreba rendgenskih zraka u medicini zasniva se na zakonima apsorpcije rendgenskih zraka materijom. Apsorpcija rendgenskih zraka je potpuno nezavisna od optička svojstva upijajuće supstance. Bezbojno i prozirno olovno staklo, koje se koristi za zaštitu osoblja u rendgen sobama, gotovo u potpunosti apsorbira rendgenske zrake. Nasuprot tome, list papira koji nije proziran za svjetlost ne slabi rendgenske zrake.
Intenzitet homogenog (tj. određene talasne dužine) snopa rendgenskih zraka koji prolazi kroz sloj apsorbera opada prema eksponencijalnom zakonu (e-x), gdje je e baza prirodnih logaritama (2,718), a eksponent x je jednak proizvod masenog koeficijenta slabljenja (μ /p) cm 2 /g po debljini apsorbera u g/cm 2 (ovde je p gustina supstance u g/cm 3). Slabljenje rendgenskog zračenja nastaje i zbog raspršenja i zbog apsorpcije. Prema tome, koeficijent prigušenja mase je zbir koeficijenata apsorpcije mase i koeficijenata raspršenja. Maseni koeficijent apsorpcije naglo raste sa povećanjem atomskog broja (Z) apsorbera (proporcionalno Z3 ili Z5) i sa povećanjem talasne dužine (proporcionalno λ3). Ova zavisnost od talasne dužine primećuje se unutar apsorpcionih opsega, na čijim granicama koeficijent skače.
Koeficijent raspršenja mase raste s povećanjem atomskog broja tvari. Pri λ≥0,3Å koeficijent rasejanja ne zavisi od talasne dužine, na λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Smanjenje koeficijenata apsorpcije i raspršenja sa smanjenjem talasne dužine uzrokuje povećanje prodorne moći rendgenskog zračenja. Koeficijent apsorpcije mase za kost [upijanje je uglavnom zbog Ca 3 (PO 4) 2 ] je skoro 70 puta veći nego za meko tkivo, gdje je upijanje uglavnom zbog vode. Ovo objašnjava zašto se senka kostiju tako oštro ističe na pozadini mekog tkiva na rendgenskim snimcima.
Širenje neujednačenog snopa rendgenskih zraka kroz bilo koji medij, zajedno sa smanjenjem intenziteta, praćeno je promjenom spektralnog sastava i promjenom kvalitete zračenja: dugovalni dio spektra je apsorbovano u većoj meri od kratkotalasnog dela, zračenje postaje homogenije. Filtriranje dugotalasnog dijela spektra omogućava, tokom rendgenske terapije lezija koje se nalaze duboko u ljudskom tijelu, da se poboljša omjer između dubokih i površinskih doza (vidi rendgenske filtere). Da bi se okarakterizirao kvalitet nehomogenog snopa rendgenskih zraka, koristi se koncept „sloja poluslabljenja (L)” - sloja tvari koji slabi zračenje za polovicu. Debljina ovog sloja zavisi od napona na cevi, debljine i materijala filtera. Za mjerenje slojeva poluslabljenja koriste se celofan (do 12 keV energije), aluminijum (20-100 keV), bakar (60-300 keV), olovo i bakar (>300 keV). Za X-zrake generisane na naponima od 80-120 kV, 1 mm bakra je ekvivalentan kapacitetu filtriranja 26 mm aluminijuma, 1 mm olova je ekvivalentan 50,9 mm aluminijuma.
Apsorpcija i rasipanje rendgenskog zračenja je zbog njegovih korpuskularnih svojstava; Rentgensko zračenje stupa u interakciju s atomima kao tok korpuskula (čestica) - fotona, od kojih svaki ima određenu energiju (obrnuto proporcionalnu valnoj dužini rendgenskog zračenja). Opseg energije rendgenskih fotona je 0,05-500 keV.
Apsorpcija rendgenskog zračenja je posljedica fotoelektričnog efekta: apsorpcija fotona od strane elektronske ljuske praćena je izbacivanjem elektrona. Atom je uzbuđen i, vraćajući se u osnovno stanje, emituje karakteristično zračenje. Emitirani fotoelektron nosi svu energiju fotona (minus energija vezanja elektrona u atomu).
Rasipanje rendgenskih zraka uzrokovano je elektronima u mediju za raspršivanje. Pravi se razlika između klasičnog rasejanja (talasna dužina zračenja se ne menja, ali se menja smer širenja) i rasejanja sa promenom talasne dužine - Comptonov efekat (talasna dužina raspršenog zračenja je veća od talasne dužine upadnog zračenja ). U potonjem slučaju, foton se ponaša kao lopta koja se kreće, a do raspršivanja fotona dolazi, prema Comtonovom figurativnom izrazu, poput igranja bilijara s fotonima i elektronima: sudarajući se s elektronom, foton prenosi dio svoje energije na njega i biva raspršeni, koji imaju manju energiju (prema tome se povećava valna dužina raspršenog zračenja), elektron izleti iz atoma sa energijom trzaja (ovi elektroni se nazivaju Compton elektroni, ili elektroni trzanja). Apsorpcija energije rendgenskih zraka nastaje prilikom formiranja sekundarnih elektrona (Compton i fotoelektrona) i prijenosa energije na njih. Energija rendgenskog zračenja prenesena na jedinicu mase supstance određuje apsorbovanu dozu rendgenskog zračenja. Jedinica ove doze 1 rad odgovara 100 erg/g. Zbog apsorbirane energije dolazi do niza sekundarnih procesa u apsorberskoj tvari, koji su važni za rendgensku dozimetriju, jer se upravo na njima zasnivaju metode mjerenja rendgenskog zračenja. (vidi dozimetriju).
Svi plinovi i mnoge tekućine, poluvodiči i dielektrici povećavaju električnu provodljivost kada su izloženi rendgenskim zracima. Provodljivost detektuju najbolji izolacioni materijali: parafin, liskun, guma, ćilibar. Promjena provodljivosti je uzrokovana jonizacijom medija, odnosno razdvajanjem neutralnih molekula na pozitivne i negativne ione (jonizaciju proizvode sekundarni elektroni). Ionizacija u zraku se koristi za određivanje doze izlaganja rendgenskim zracima (doza u zraku), koja se mjeri u rendgenima (vidi Doze jonizujućeg zračenja). Pri dozi od 1 r, apsorbirana doza u zraku je 0,88 rad.
Pod uticajem rendgenskog zračenja, kao rezultat ekscitacije molekula supstance (i tokom rekombinacije jona), u mnogim slučajevima se pobuđuje vidljivi sjaj supstance. Pri visokim intenzitetima rendgenskog zračenja uočava se vidljivi sjaj u vazduhu, papiru, parafinu itd. (sa izuzetkom metala). Najveći prinos vidljive luminescencije daju kristalni fosfori kao što su Zn·CdS·Ag-fosfor i drugi koji se koriste za fluoroskopske ekrane.
Pod uticajem rendgenskog zračenja, raznih hemijski procesi: razgradnja jedinjenja halogenida srebra (fotografski efekat koji se koristi u radiografiji), razgradnja vode i vodenih rastvora vodikovog peroksida, promena svojstava celuloida (zamućenje i oslobađanje kamfora), parafina (zamućenje i izbeljivanje).
Kao rezultat potpune konverzije, sva energija koju apsorbuje hemijski inertna supstanca, rendgensko zračenje, pretvara se u toplotu. Mjerenje vrlo malih količina topline zahtijeva visoko osjetljive metode, ali je glavna metoda za apsolutna mjerenja rendgenskog zračenja.
Sekundarni biološki efekti izlaganja rendgenskom zračenju su osnova medicinske rendgenske terapije (vidi). Rentgensko zračenje, čiji su kvanti 6-16 keV (efektivna talasna dužina od 2 do 5 Å), gotovo u potpunosti apsorbuje kožno tkivo ljudskog tela; oni se nazivaju graničnim zracima, ili ponekad Buccinim zracima (vidi Buccine zrake). Za dubinsku rendgensku terapiju koristi se tvrdo filtrirano zračenje sa efektivnim energetskim kvantima od 100 do 300 keV.
Biološki efekat rendgenskog zračenja treba uzeti u obzir ne samo tokom rendgenske terapije, već i tokom rendgenske dijagnostike, kao i u svim drugim slučajevima kontakta sa rendgenskim zračenjem koji zahtevaju upotrebu zaštite od zračenja (vidi).
