Рентгеновское излучение — разновидность высокоэнергетического электромагнитного излучения. Оно активно используется в различных отраслях медицины.
Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, энергия фотонов которых на шкале электромагнитных волн находится между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~10 эВ до ~1 МэВ), что соответствует длинам волн от ~10^3 до ~10^−2 ангстрем (от ~10^−7 до ~10^−12 м). То есть это несравнимо более жесткое излучение, чем видимый свет, который находится на этой шкале между ультрафиолетом и инфракрасными («тепловыми») лучами.
Граница между рентгеном и гамма-излучением выделяется условно: их диапазоны пересекаются, гамма-лучи могут иметь энергию от 1 кэв. Различаются они по происхождению: гамма-лучи испускаются в ходе процессов, происходящих в атомных ядрах, рентгеновские же — при процессах, идущих с участием электронов (как свободных, так и находящихся в электронных оболочках атомов). При этом по самому фотону невозможно установить, в ходе какого процесса он возник, то есть деление на рентгеновский и гамма-диапазон во многом условно.
Рентгеновский диапазон делят на «мягкий рентген» и «жесткий». Граница между ними пролегает на уровне длины волны 2 ангстрема и 6 кэв энергии.
Генератор рентгеновского излучения представляет собой трубку, в которой создан вакуум. Там расположены электроды — катод, на который подается отрицательный заряд, и положительно заряженный анод. Напряжение между ними составляет десятки-сотни киловольт. Генерация рентгеновских фотонов происходит тогда, когда электроны «срываются» с катода и с высочайшей скоростью врезаются в поверхность анода. Возникающее при этом рентгеновское излучение называется «тормозным», его фотоны имеют различную длину волны.
Одновременно происходит генерация фотонов характеристического спектра. Часть электронов в атомах вещества анода возбуждается, то есть переходит на более высокие орбиты, а потом возвращается в нормальное состояние, излучая фотоны определенной длины волны. В стандартном генераторе возникают оба типа рентгеновского излучения.
8 ноября 1895 года немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что некоторые вещества под воздействием «катодных лучей», то есть потока электронов, генерируемого катодно-лучевой трубкой, начинают светиться. Он объяснил это явление воздействием неких X-лучей — так («икс-лучи») это излучение и сейчас называется на многих языках. Позже В.К. Рентген изучил открытое им явление. 22 декабря 1895 года он сделал доклад на эту тему в Вюрцбургском университете.
Позже выяснилось, что рентгеновское излучение наблюдалось и ранее, но тогда связанным с ним феноменам не придали большого значения. Катодно-лучевая трубка была изобретена уже давно, но до В.К. Рентгена никто не обращал особого внимания на почернение фотопластинок вблизи нее и т.п. явления. Неизвестна была и опасность, исходящая от проникающей радиации.
«Рентген» — самый мягкий тип проникающей радиации. Избыточное воздействие мягкого рентгена напоминает влияние ультрафиолетового облучения, но в более тяжелой форме. На коже образуется ожог, но поражение оказывается более глубоким, а заживает он намного медленнее.
Жесткий рентген представляет собой полноценную ионизирующую радиацию, способную привести к лучевой болезни. Рентгеновские кванты могут разрывать молекулы белков, из которых состоят ткани человеческого тела, а также молекулы ДНК генома. Но даже если рентгеновский квант разбивает молекулу воды, все равно: при этом образуются химически активные свободные радикалы H и OH, которые сами способны воздействовать на белки и ДНК. Лучевая болезнь протекает в тем более тяжелой форме, чем больше поражаются органы кроветворения.
Рентгеновские лучи обладают мутагенной и канцерогенной активностью. Это значит, что вероятность спонтанных мутаций в клетках при облучении возрастает, а иногда здоровые клетки могут перерождаться в раковые. Повышение вероятности появления злокачественных опухолей — стандартное следствие любого облучения, в том числе рентгеновского. Рентген является наименее опасным видом проникающей радиации, но он все равно может быть опасен.
Рентгеновское излучение применяется в медицине, а также в других сферах человеческой деятельности.
Наиболее частое применение рентгеновского излучения — рентгеноскопия. «Просвечивание» человеческого тела позволяет получить детальное изображение как костей (они видны наиболее четко), так и изображения внутренних органов.
Различная прозрачность тканей тела в рентгеновских лучах связана с их химическим составом. Особенности строения костей в том, что они содержат много кальция и фосфора. Другие же ткани состоят в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. Атом фосфора превосходит по весу атом кислорода почти вдвое, а атом кальция — в 2,5 раза (углерод, азот и водород — еще легче кислорода). В связи с этим поглощение рентгеновских фотонов в костях оказывается намного выше.
Помимо двухмерных «снимков» рентгенография дает возможность создать трехмерное изображение органа: эта разновидность рентгенографии называется компьютерной томографией. Для этих целей применяется мягкий рентген. Объем облучения, полученный при одном снимке, невелик: он примерно равен облучению, получаемому при 2-часовом полете на самолете на высоте 10 км.
Рентгеновская дефектоскопия позволяет выявлять мелкие внутренние дефекты в изделиях. Для нее используется жесткий рентген, так как многие материалы (металл например) плохо «просвечиваются» из-за высокой атомной массы составляющего их вещества.
У рентгеновских лучей свойства позволяют с их помощью детально рассматривать отдельные атомы. Рентгеноструктурный анализ активно применяется в химии (в том числе биохимии) и кристаллографии. Принцип его работы — дифракционное рассеивание рентгеновских лучей на атомах кристаллов или сложных молекул. При помощи рентгеноструктурного анализа была определена структура молекулы ДНК.
Рентгенофлуоресцентный анализ позволяет быстро определить химический состав вещества.
Существует множество форм радиотерапии, но все они подразумевают использование ионизирующей радиации. Радиотерапия делится на 2 типа: корпускулярный и волновой. Корпускулярный использует потоки альфа-частиц (ядер атомов гелия), бета-частиц (электронов), нейтронов, протонов, тяжелых ионов. Волновой использует лучи электромагнитного спектра — рентгеновские и гамма.
Используются радиотерапевтические методы прежде всего для лечения онкологических заболеваний. Дело в том, что радиация поражает в первую очередь активно делящиеся клетки, поэтому так страдают органы кроветворения (их клетки постоянно делятся, производя все новые эритроциты). Раковые клетки тоже постоянно делятся и более уязвимы для радиации, чем здоровая ткань.
Используется уровень облучения, который подавляет активность раковых клеток, умеренно влияя на здоровые. Под воздействием радиации происходит не разрушение клеток как таковое, а поражение их генома — молекул ДНК. Клетка с разрушенным геномом может некоторое время существовать, но уже не может делиться, то есть рост опухоли прекращается.
Рентгенотерапия — наиболее мягкая форма радиотерапии. Волновая радиация мягче корпускулярной, а рентген — мягче гамма-излучения.
Использовать ионизирующую радиацию при беременности опасно. Рентгеновские лучи обладают мутагенной активностью и могут вызвать нарушения у плода. Рентгенотерапия несовместима с беременностью: она может применяться только в том случае, если уже решено производить аборт. Ограничения на рентгеноскопию мягче, но в первые месяцы она тоже строго запрещена.
В случае крайней необходимости рентгенологическое исследование заменяют магниторезонансной томографией. Но в первый триместр стараются избегать и ее (этот метод появился недавно, и с абсолютной уверенностью говорить об отсутствии вредных последствий).
Однозначная опасность возникает при облучении суммарной дозой не менее 1 мЗв (в старых единицах — 100 мР). При простом рентгеновском снимке (например, при прохождении флюорографии) пациентка получает примерно в 50 раз меньше. Для того, чтобы получить такую дозу за 1 раз, нужно подвергнуться детальной компьютерной томографии.
То есть сам по себе факт 1-2-кратного «рентгена» на ранней стадии беременности не грозит тяжелыми последствиями (но лучше не рисковать).
Рентгеновские лучи применяют прежде всего при борьбе со злокачественными опухолями. Этот метод хорош тем, что высокоэффективен: он убивает опухоль. Плох он тем, что здоровым тканям приходится немногим лучше, имеются многочисленные побочные эффекты. В особой опасности находятся органы кроветворения.
На практике применяются различные методы, позволяющие снизить воздействие рентгена на здоровые ткани. Лучи направляются под углом таким образом, чтобы в зоне их перекрещивания оказалась опухоль (благодаря этому основное поглощение энергии происходит как раз там). Иногда процедура производится в движении: тело пациента относительно источника излучения вращается вокруг оси, проходящей через опухоль. При этом здоровые ткани оказываются в зоне облучения лишь иногда, а больные — постоянно.
Рентген используется при лечении некоторых артрозов и подобных заболеваний, а также кожных болезней. При этом болевой синдром снижается на 50-90%. Так как излучение при этом используется более мягкое, побочных эффектов, аналогичных тем, что возникают при лечении опухолей, не наблюдается.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ
Кафедра ОЕНД
КУРСОВАЯ РАБОТА
Дисциплина: Физика
Тема: РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Студент: Недорезова Н.А.
Группа: ЭиУ-2004-25, № З. К.: 04Н036
Проверил: Ожегова С.М.
Введение
Глава 1. Открытие рентгеновского излучения
1.1 Биография Рентгена Вильгельма Конрада
1.2 Открытие рентгеновского излучения
Глава 2. Рентгеновское излучение
2.1 Источники рентгеновских лучей
2.2 Свойства рентгеновских лучей
2.3 Регистрация рентгеновских лучей
2.4 Применение рентгеновских лучей
Глава 3. Применение рентгеновского излучения в металлургии
3.1 Анализ несовершенств кристаллической структуры
3.2 Спектральный анализ
Заключение
Список используемых источников
Приложения
Редкий человек не проходил через рентгеновский кабинет. Снимки, сделанные в рентгеновских лучах, знакомы каждому. В 1995 году исполнилось сто лет этому открытию. Трудно представить, какой огромный интерес вызвало оно век назад. В руках человека оказался аппарат, с помощью которого удалось увидеть невидимое.
Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества, представляющее собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10 -8 см назвали рентгеновским излучением, в честь открывшего его Вильгельма Рентгена.
Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и менее прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах, в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов.
За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М. Лауэ, В. Фридрих и П. Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У. Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г. Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л. Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.
Целью данной курсовой работы является изучение явления
рентгеновского излучения, истории открытия, свойств и выявление сферы его
применения.
Вильгельм Конрад Рентген родился 17 марта 1845 г. в пограничной с Голландией области Германии, в городе Ленепе. Он получил техническое образование в Цюрихе в той самой Высшей технической школе (политехникуме), в которой позже учился Эйнштейн. Увлечение физикой заставило его после окончания школы в 1866 г. продолжить физическое образование.
Защитив в 1868 г. диссертацию на степень доктора философии, он работал ассистентом на кафедре физики сначала в Цюрихе, потом в Гисене, а затем в Страсбурге (1874-1879) у Кундта. Здесь Рентген прошел хорошую экспериментальную школу и стал первоклассным экспериментатором. Часть важных исследований Рентген выполнил со своим учеником, одним из основателей советской физики А.Ф. Иоффе.
Научные исследования относятся к электромагнетизму, физике кристаллов, оптике, молекулярной физике.
В 1895 открыл излучение с длиной волны, более короткой, нежели длина волны ультрафиолетовых лучей (X-лучи), названное в дальнейшем рентгеновскими лучами, и исследовал их свойства: способность отражаться, поглощаться, ионизировать воздух и т.д. Предложил правильную конструкцию трубки для получения Х-лучей - наклонный платиновый антикатод и вогнутый катод: первый сделал фотоснимки при помощи рентгеновских лучей. Открыл в 1885 магнитное поле диэлектрика, движущегося в электрическом поле (так называемый "рентгенов ток”). Его опыт наглядно показал, что магнитное поле создается подвижными зарядами, и имел важное значение для создания X. Лоренцем электронной теории. Значительное число работ Рентгена посвящено исследованию свойств жидкостей, газов, кристаллов, электромагнитных явлений, открыл взаимосвязь электрических и оптических явлений в кристаллах. За открытие лучей, носящих его имя, Рентгену в 1901 первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия.
С 1900 г. и до последних дней жизни (умер он 10 февраля 1923 г.) он работал в Мюнхенском университете.
Конец XIX в. ознаменовался повышенным интересом к явлениям прохождения электричества через газы. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство в светящемся столбе разреженного газа. Фарадеево темное пространство отделяет синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного.
Дальнейшее увеличение разрежения газа существенно изменяет характер свечения. Математик Плюкер (1801-1868) обнаружил в 1859г., при достаточно сильном разрежении слабо голубоватый пучок лучей, исходящий из катода, доходящий до анода и заставляющий светиться стекло трубки. Ученик Плюкера Гитторф (1824-1914) в 1869 г. продолжил исследования учителя и показал, что на флюоресцирующей поверхности трубки появляется отчетливая тень, если между катодом и этой поверхностью поместить твердое тело.
Гольдштейн (1850-1931), изучая свойства лучей, назвал их катодными лучами (1876 г.). Через три года Вильям Крукс (1832-1919) доказал материальную природу катодных лучей и назвал их "лучистой материей”-веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. Его доказательства были убедительны и наглядны. Опыты с "трубкой Крукса” демонстрировались позже во всех физических кабинетах. Отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией.
Однако опыты по электрическому отклонению катодных лучей не были столь убедительными. Герц не обнаружил такого отклонения и пришел к выводу, что катодный луч - это колебательный процесс в эфире. Ученик Герца Ф. Ленард, экспериментируя с катодными лучами, в 1893 г. показал, что они проходят через окошечко, закрытое алюминиевой фольгой, и вызывают свечение в пространстве за окошечком. Явлению прохождения катодных лучей через тонкие металлические тела Герц посвятил свою последнюю статью, опубликованную в 1892 г. Она начиналась словами:
"Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела”. Описывая результаты опытов по прохождению катодных лучей через золотые, серебряные, платиновые, алюминиевые и т.д. листочки, Герц отмечает, что он не наблюдал особых отличий в явлениях. Лучи проходят через листочки не прямолинейно, а дифракционно рассеиваются. Природа катодных лучей все еще оставалась неясной.
Вот с такими трубками Крукса, Ленарда и других и экспериментировал Вюрцбургский профессор Вильгельм Конрад Рентген в конце 1895 г. Однажды по окончании опыта, закрыв трубку чехлом из черного картона, выключив свет, но не выключив еще индуктор, питающий трубку, он заметил свечение экрана из синеродистого бария, находящегося вблизи трубки. Пораженный этим обстоятельством, Рентген начал экспериментировать с экраном. В своем первом сообщении "О новом роде лучей”, датированном 28 декабря 1895 г., он писал об этих первых опытах: "Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием, при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать. Флюоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносим ли бумагу стороной, покрытой синеродистым барием или не покрытой синеродистым барием. Флюоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки”.
Тщательное исследование показало Рентгену, "что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим флюоресценцию”. Рентген исследовал проникающую способность этого "агента”, который он для краткости назвал "Х-лучи”, для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом.
Затем он описывает сенсационный опыт:
"Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки”. Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого тела. Рентген получил и первые рентгеновские снимки, приложив их к своей руке.
Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. "Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела”, - писал английский физик Шустер.
Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами.". Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки”, - писал Рентген.
Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах.
Упомянув о гипотезе Герца - Ленарда, что катодные лучи "есть явление, происходящее в эфире”, Рентген указывает, что "нечто подобное мы можем сказать и о наших лучах”. Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства лучей, они "ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи”. По своим химическим и люминесцентным действиям они, по мнению Рентгена, сходны с ультрафиолетовыми лучами. В первом сообщении он высказал оставленное потом предположение, что они могут быть продольными волнами в эфире.
Открытие Рентгена вызвало огромный интерес в научном мире.
Его опыты были повторены почти во всех лабораториях мира. В Москве их повторил
П.Н. Лебедев. В Петербурге изобретатель радио А.С. Попов экспериментировал с X-лучами, демонстрировал
их на публичных лекциях, получая различные рентгенограммы. В Кембридже Д.Д.
Томсон немедленно применил ионизирующее действие рентгеновских лучей для
изучения прохождения электричества через газы. Его исследования привели к
открытию электрона.
Рентгеновское излучение - электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма - и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10 -4 до 10 3 (от 10 -12 до 10 -5 см).Р. л. с длиной волны λ < 2 условно называются жёсткими, с λ > 2 - мягкими.
Наиболее распространённый источник рентгеновских лучей -
рентгеновская трубка
Рентгеновские трубки применяют в рентгеновском структурном анализе
Основные характеристики рентгеновских трубок - предельно допустимое ускоряющее напряжение (1-500 кВ), электронный ток (0,01 мА - 1А), удельная мощность, рассеиваемая анодом (10-10 4 вт/мм 2), общая потребляемая мощность (0,002 вт - 60 квт) и размеры фокуса (1 мкм - 10 мм). КПД рентгеновской трубки составляет 0,1-3%.
В качестве источников рентгеновских лучей могут служить также
некоторые радиоактивные изотопы
Источниками мягких рентгеновских лучей с λ порядка десятков и сотен могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв. По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2-3 порядка.
Естественные источники рентгеновских лучей - Солнце и другие космические объекты.
В зависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их
спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими).
Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в
результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени; этот спектр
достигает значительной интенсивности лишь при бомбардировке мишени электронами.
Интенсивность тормозных рентгеновских лучей распределена по всем частотам до
высокочастотной границы 0 , на которой энергия фотонов h 0 (h -
постоянная Планка
Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном (первичные рентгеновские лучи), или поглощения атомом фотона (флуоресцентные рентгеновские лучи). Ионизованный атом оказывается в начальном квантовом состоянии на одном из высоких уровней энергии и через 10 -16 -10 -15 сек переходит в конечное состояние с меньшей энергией. При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты. Частоты линий спектра такого излучения характерны для атомов каждого элемента, поэтому линейчатый рентгеновский спектр называется характеристическим. Зависимость частоты линий этого спектра от атомного номера Z определяется законом Мозли.
Закон Мозли
,
закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического
рентгеновского излучения химического элемента с его порядковым номером.
Экспериментально установлен Г. Мозли
где R - Ридберга постоянная
Закон Мозли явился неопровержимым доказательством правильности
размещения элементов в периодической системе элементов
В соответствии с законом Мозли, рентгеновские характеристические спектры не обнаруживают периодических закономерностей, присущих оптическим спектрам. Это указывает на то, что проявляющиеся в характеристических рентгеновских спектрах внутренние электронные оболочки атомов всех элементов имеют аналогичное строение.
Более поздние эксперименты выявили некоторые отклонения от линейной зависимости для переходных групп элементов, связанные с изменением порядка заполнения внешних электронных оболочек, а также для тяжёлых атомов, появляющиеся в результате релятивистских эффектов (условно объясняемых тем, что скорости внутренних сравнимы со скоростью света).
В зависимости от ряда факторов - от числа нуклонов в ядре
(изотонический сдвиг), состояния внешних электронных оболочек (химический
сдвиг) и пр. - положение спектральных линий на диаграмме Мозли может несколько
изменяться. Изучение этих сдвигов позволяет получать детальные сведения об
атоме.
Тормозное рентгеновское излучение, испускаемое очень тонкими мишенями, полностью поляризовано вблизи 0 ; с уменьшением 0 степень поляризации падает. Характеристическое излучение, как правило, не поляризовано.
При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом может
происходить фотоэффект
При прохождении рентгеновских лучей через слой вещества толщиной х их начальная интенсивность I 0 уменьшается до величины I = I 0 e - μ x где μ - коэффициент ослабления. Ослабление I происходит за счёт двух процессов: поглощения рентгеновских фотонов веществом и изменения их направления при рассеянии. В длинноволновой области спектра преобладает поглощение рентгеновских лучей, в коротковолновой - их рассеяние. Степень поглощения быстро растет с увеличением Z и λ. Например, жёсткие рентгеновские лучи свободно проникают через слой воздуха ~ 10 см; алюминиевая пластинка в 3 см толщиной ослабляет рентгеновские лучи с λ = 0,027 вдвое; мягкие рентгеновские лучи значительно поглощаются в воздухе и их использование и исследование возможно лишь в вакууме или в слабо поглощающем газе (например, Не). При поглощении рентгеновских лучей атомы вещества ионизуются.
Влияние рентгеновских лучей на живые организмы может быть полезным
и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях. Поскольку
поглощение рентгеновских лучей зависит от λ, интенсивность их не может служить мерой
биологического действия рентгеновских лучей. Количественным учётом действия
рентгеновских лучей на вещество занимается рентгенометрия
Рассеяние рентгеновских лучей в области больших Z и λ происходит в основном без изменения λ и носит название когерентного рассеяния, а в области малых Z и λ, как правило, возрастает (некогерентное рассеяние). Известно 2 вида некогерентного рассеяния рентгеновских лучей - комптоновское и комбинационное. При комптоновском рассеянии, носящем характер неупругого корпускулярного рассеяния, за счёт частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки атома вылетает электрон отдачи. При этом уменьшается энергия фотона и изменяется его направление; изменение λ зависит от угла рассеяния. При комбинационном рассеянии рентгеновского фотона высокой энергии на лёгком атоме небольшая часть его энергии тратится на ионизацию атома и меняется направление движения фотона. Изменение таких фотонов не зависит от угла рассеяния.
Показатель преломления n для рентгеновских лучей отличается от 1 на очень малую величину δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Фазовая скорость рентгеновских лучей в среде больше скорости света в вакууме. Отклонение рентгеновских лучей при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут). При падении рентгеновских лучей из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.
Глаз человека к рентгеновским лучам не чувствителен. Рентгеновские
лучи регистрируют с помощью специальной рентгеновской фотоплёнки,
содержащей повышенное количество Ag, Br. В области λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ> 5 чувствительность обычной позитивной
фотоплёнки достаточно велика, а её зёрна значительно меньше зёрен рентгеновской
плёнки, что повышает разрешение. При λ порядка десятков и сотен рентгеновские лучи действуют только на
тончайший поверхностный слой фотоэмульсии; для повышения чувствительности плёнки
её сенсибилизируют люминесцирующими маслами. В рентгенодиагностике и
дефектоскопии для регистрации рентгеновских лучей иногда применяют
электрофотографию
Рентгеновские лучи больших интенсивностей можно регистрировать с
помощью ионизационной камеры
Наиболее широкое применение рентгеновские лучи нашли в медицине
для рентгенодиагностики
Рентгеновский структурный анализ
Рентгеновская микроскопия
Рентгеновские лучи, приходящие из космоса, несут информацию о химическом
составе космических тел и о физических процессах, происходящих в космосе.
Исследованием космических рентгеновских лучей занимается рентгеновская
астрономия
Одна из основных задач рентгеноструктурного анализа - определение вещественного или фазового состава материала. Рентгеноструктурный метод является прямым и характеризуется высокой достоверностью, экспрессностью и относительной дешевизной. Метод не требует большого количества вещества, анализ можно проводить без разрушения детали. Области применения качественного фазового анализа очень разнообразны и для научно-исследовательских работ, и для контроля в производстве. Можно проверять состав исходных материалов металлургического производства, продуктов синтеза, передела, результат фазовых изменений при термической и химико-термической обработке, вести анализ разных покрытий, тонких пленок и т.д.
Каждая фаза, обладая своей кристаллической структурой, характеризуется определенным, присущим только данной фазе набором дискретных значений межплоскостных расстояний d/n от максимального и ниже. Как следует из уравнения Вульфа-Брэгга, каждому значению межплоскостного расстояния соответствует линия на рентгенограмме от поликристаллического образца под определенным углом θ (при заданном значении длины волны λ). Таким образом, определенному набору межплоскостных расстояний для каждой фазы на рентгенограмме будет соответствовать определенная система линий (дифракционных максимумов). Относительная интенсивность этих линий на рентгенограмме зависит, прежде всего, от структуры фазы. Следовательно, определив местоположение линий на рентгенограмме (ее угол θ) и зная длину волны излучения, на котором была снята рентгенограмма, можно определить значения межплоскостных расстояний d/n по формуле Вульфа-Брэгга:
/n = λ/ (2sin θ). (1)
Определив набор d/n для исследуемого материала и сопоставив его с известными заранее данными d/n для чистых веществ, их различных соединений, можно установить, какую фазу составляет данный материал. Следует подчеркнуть, что определяются именно фазы, а не химический состав, но последний иногда можно вывести, если существуют дополнительные данные об элементном составе той или иной фазы. Задача качественного фазового анализа значительно облегчается, если известен химический состав исследуемого материала, потому что тогда можно сделать предварительные предположения о возможных в данном случае фазах.
Главное для фазового анализа - точно измерить d/n и интенсивность линии. Хотя этого в принципе проще добиться с использованием дифрактометра, фотометод для качественного анализа имеет некоторые преимущества прежде всего в отношении чувствительности (возможность заметить присутствие в образце малого количества фазы), а также простоты экспериментальной техники.
Расчет d/n по рентгенограмме проводится с помощью уравнения Вульфа-Брэгга.
В качестве значения
λ в этом
уравнении обычно используют λ α ср К-серии:
λ α ср = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)
Иногда используют линию К α1 . Определение углов дифракции θ для всех линий рентгенограмм позволяет рассчитать d/n по уравнению (1) и отделить β-линии (если не было фильтра для (β-лучей).
Все реальные монокристаллические и тем более поликристаллические материалы содержат те или иные структурные несовершенства (точечные дефекты, дислокации, различного типа границы раздела, микро - и макронапряжения), оказывающие очень сильное влияние на все структурно-чувствительные свойства и процессы.
Структурные несовершенства вызывают разные по характеру нарушения кристаллической решетки и, как следствие, разного типа изменения дифракционной картины: изменение межатомных и межплоскостных расстояний вызывает смещение дифракционных максимумов, микронапряжения и дисперсность субструктуры приводят к уширению дифракционных максимумов, микроискажения решетки - к изменению интенсивности этих максимумов, наличие дислокаций вызывает аномальные явления при прохождении рентгеновских лучей и, следовательно, локальные неоднородности контраста на рентгеновских топограммах и др.
Вследствие этого рентгеноструктурный анализ является одним из наиболее информативных методов изучения структурных несовершенств, их типа и концентрации, характера распределения.
Традиционный прямой метод рентгеновской дифракции, который реализуется на стационарных дифрактометрах, в силу их конструктивных особенностей позволяет осуществить количественное определение напряжений и деформаций только на малых образцах, вырезанных из деталей или объектов.
Поэтому в настоящее время происходит переход от стационарных к портативным малогабаритным рентгеновским дифрактометрам, которые обеспечивают оценку напряжений в материале деталей или объектов без разрушения на стадиях их изготовления и эксплуатации.
Портативные рентгеновские дифрактометры серии ДРП * 1 позволяют проводить контроль остаточных и действующих напряжений в крупногабаритных деталях, изделиях и конструкциях без разрушения
Программа в среде Windows позволяет в реальном времени не только определять напряжения методом "sin 2 ψ", но и следить за изменением фазового состава и текстуры. Линейнокоординатный детектор обеспечивает одновременную регистрацию в углах дифракции 2θ = 43°. малогабаритные рентгеновские трубки типа "Лиса" с высокой светимостью и малой мощностью (5 Вт) обеспечивают радиологическую безопасность прибора, при которой на расстоянии 25 см от облучаемого участка уровень радиации равен уровню природного фона. Приборы серии ДРП находят применение при определении напряжений на различных стадиях обработки металлов давлением, при резании, шлифовании, термообработке, сварке, поверхностном упрочении с целью оптимизации этих технологических операций. Контроль за падением уровня наведенных остаточных напряжений сжатия в особо ответственных изделиях и конструкциях при их эксплуатации позволяет вывести изделие из эксплуатации до его разрушения, предотвратив возможные аварии и катастрофы.
Наряду с определением атомной кристаллической структуры и фазового состава материала для его полной характеристики обязательным является определение его химического состава.
Все чаще для этих целей на практике используют различные, так называемые инструментальные методы спектрального анализа. Каждый из них имеет свои преимущества и области применения.
Одним из важных требований во многих случаях является то, чтобы используемый метод обеспечил сохранность анализируемого объекта; именно такие методы анализа рассматриваются в данном разделе. Следующим критерием, по которому были выбраны методы анализа, описанные в настоящем разделе, является их локальность.
Метод флюоресцентного рентгеноспектрального анализа основан на проникновении в анализируемый объект довольно жесткого рентгеновского излучения (от рентгеновской трубки), проникающего в слой толщиной порядка нескольких микрометров. Возникающее при этом в объекте характеристическое рентгеновское излучение позволяет получить усредненные данные о его химическом составе.
Для определения элементного состава вещества можно использовать анализ спектра характеристического рентгеновского излучения пробы, помещенной на анод рентгеновской трубки и подвергнутой бомбардировке электронами - эмиссионный метод, или анализ спектра вторичного (флюоресцентного) рентгеновского излучения пробы, подвергнутой облучению жесткими рентгеновскими лучами от рентгеновской трубки или другого источника - флюоресцентный метод.
Недостатком эмиссионного метода является, во-первых, необходимость помещения пробы на анод рентгеновской трубки с последующей откачкой вакуумными насосами; очевидно, этот метод непригоден для легкоплавких и летучих веществ. Второй недостаток связан с тем, что даже тугоплавкие объекты под действием бомбардировки электронами повреждаются. Флюоресцентный метод свободен от этих недостатков и поэтому имеет гораздо более широкое применение. Преимуществом флюоресцентного метода является также отсутствие тормозного излучения, это способствует улучшению чувствительности анализа. Сравнение измеренных длин волн с таблицами спектральных линий химических элементов составляет основу качественного анализа, а относительные значения интенсивности спектральных линий разных элементов, образующих вещество пробы, составляет основу количественного анализа. Из рассмотрения механизма возбуждения характеристического рентгеновского излучения ясно, что излучения той или иной серии (К или L, М и т.д.) возникают одновременно, причем соотношения интенсивностей линий в пределах серии всегда постоянно. Поэтому наличие того или иного элемента устанавливается не по отдельным линиям, а по серии линий в целом (кроме самых слабых, с учетом содержания данного элемента). Для сравнительно легких элементов используют анализ линий K-серии, для тяжелых - линий L-ceрии; в разных условиях (в зависимости от используемой аппаратуры и от анализируемых элементов) могут быть наиболее удобными разные области характеристического спектра.
Главные особенности рентгеноспектрального анализа следующие.
Простота рентгеновских характеристических спектров даже для тяжелых элементов (по сравнению с оптическими спектрами), что упрощает выполнение анализа (малое число линий; подобие в их взаимном расположении; с увеличением порядкового номера происходит закономерное смещение спектра в коротковолновую область, сравнительная простота проведения количественного анализа).
Независимость длин волн от состояния атомов анализируемого элемента (свободное или в химическом соединении). Это обусловлено тем, что возникновение характеристического рентгеновского излучения связано с возбуждением внутренних электронных уровней, которые в большинстве случаев практически не изменяются от степени ионизации атомов.
Возможность разделения в анализе редкоземельных и некоторых других элементов, которые имеют малые различия спектров в оптическом диапазоне из-за подобия электронного строения внешних оболочек и очень мало различаются по своим химическим свойствам.
Метод рентгеновской флюоресцентной спектроскопии является "неразрушающим", поэтому он имеет преимущество перед методом обычной оптической спектроскопии при анализе тонких образцов - тонкий металлический лист, фольга и т.д.
Особенно широкое применение на металлургических предприятиях приобрели рентгеновские флюоресцентные спектрометры и среди них многоканальные спектрометры или квантометры, обеспечивающие экспрессный количественный анализ элементов (от Na или Mg до U) с ошибкой менее 1 % от определяемой величины, порог чувствительности 10 -3 …10 -4 %.
рентгеновское излучение луч
Способы определения спектрального состава рентгеновского излучения
Спектрометры разделяются на два типа: кристалл-дифракционные и бескристальные.
Разложение рентгеновских лучей в спектр с помощью естественной дифракционной решетки - кристалла - по существу аналогично получению спектра лучей обычного света с помощью искусственной дифракционной решетки в виде периодических штрихов на стекле. Условие образования дифракционного максимума можно записать как условие "отражения" от системы параллельных атомных плоскостей, разделенных расстоянием d hkl .
При проведении качественного анализа можно судить о
присутствии того или иного элемента в пробе по одной линии - обычно самой
интенсивной линии спектральной серии, подходящей для данного
кристалл-анализатора. Разрешение кристалл-дифракционных спектрометров
достаточно для разделения характеристических линий даже соседних по положению в
периодической таблице элементов. Однако надо учитывать еще наложение разных
линий разных элементов, а также наложение отражений разного порядка. Это
обстоятельство должно учитываться при выборе аналитических линий. Вместе с тем
надо использовать возможности улучшения разрешающей способности прибора.
Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 10 5 - 10 2 нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновского излучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники - фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновские лучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии, рентгеновском спектральном анализе и т.п.
Рассмотрев положительные стороны открытия В. Рентгена, необходимо отметить и его вредное биологическое действие. Оказалось, что рентгеновское излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающееся, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходят в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались и летальные исходы.
Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенно выявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского облучения, которые были затем подтверждены и изучены на подопытных животных. К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами) относятся:
) временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения;
) необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) после длительного избыточного облучения;
) рост заболеваемости раком (включая лейкемию);
) более быстрое старение и ранняя смерть;
) возникновение катаракт.
Биологического воздействия рентгеновского излучения на человеческий организм определяется уровнем дозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению.
Накопление знаний о воздействии рентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных в различных справочных изданиях.
Чтобы избежать вредного воздействия рентгеновского излучения применяют методы контроля:
) наличие адекватного оборудования,
) контроль за соблюдением правил техники безопасности,
) правильное использование оборудования.
1) Блохин М.А., Физика рентгеновских лучей, 2 изд., М., 1957;
) Блохин М.А., Методы рентгено-спектральных исследований, М., 1959;
) Рентгеновские лучи. Сб. под ред. М.А. Блохина, пер. с нем. и англ., М., 1960;
) Хараджа Ф., Общий курс рентгенотехники, 3 изд., М. - Л., 1966;
) Миркин Л.И., Справочник по рентгено-структурному анализу поликристаллов, М., 1961;
) Вайнштейн Э.Е., Кахана М.М., Справочные таблицы по рентгеновской спектроскопии, М., 1953.
)
Рентгенографический и элктронно-оптический анализ. Горелик С.С., Скаков Ю.А.,
Расторгуев Л. Н.: Учеб. Пособие для вузов. - 4-е изд. Доп. И перераб. - М.:
"МИСиС", 2002. - 360 с.
Приложение 1
Общий вид рентгеновских трубок
Приложение 2
Схема рентгеновской трубки для структурного анализа
Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 -
металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 - окна из бериллия для
выхода рентгеновского излучения; 3 - термоэмиссионный катод; 4 - стеклянная
колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 - выводы катода, к
которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода)
напряжение; 6 - электростатическая система фокусировки электронов; 7 - анод
(антикатод); 8 - патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный
стакан.
Приложение 3
Диаграмма Мозли
Диаграмма Мозли для К-, L - и М-серий характеристического
рентгеновского излучения. По оси абсцисс отложен порядковый номер элемента Z,
по оси ординат - (с
- скорость света).
Приложение 4
Ионизационная камера.
Рис.1. Сечение цилиндрической ионизационной камеры: 1 -
цилиндрический корпус камеры, служащий отрицательным электродом; 2 -
цилиндрический стержень, служащий положительным электродом; 3 - изоляторы.
Рис. 2. Схема включения токовой ионизационной камеры: V -
напряжение на электродах камеры; G - гальванометр, измеряющий ионизационный
ток.
Рис. 3. Вольтамперная характеристика ионизационной камеры.
Рис. 4. Схема включения импульсной ионизационной камеры: С -
ёмкость собирающего электрода; R - сопротивление.
Приложение 5
Сцинтилляционный счётчик.
Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света
(фотоны)"выбивают" электроны с фотокатода; двигаясь от динода к
диноду, электронная лавина размножается.
Приложение 6
Счётчик Гейгера - Мюллера.
Рис. 1. Схема стеклянного счётчика Гейгера - Мюллера: 1 -
герметически запаянная стеклянная трубка; 2 - катод (тонкий слой меди на трубке
из нержавеющей стали); 3 - вывод катода; 4 - анод (тонкая натянутая нить).
Рис. 2. Схема включения счётчика Гейгера - Мюллера.
Рис. 3. Счётная характеристика счётчика Гейгера - Мюллера.
Приложение 7
Пропорциональный счетчик.
Схема пропорционального счетчика: а - область дрейфа
электронов; б - область газового усиления.
Приложение 8
Полупроводниковые детекторы
Полупроводниковые детекторы; штриховкой выделена чувствительная область; n - область полупроводника с электронной проводимостью, р - с дырочной, i - с собственной проводимостями; а - кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б - дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в - германий-литиевый коаксиальный детектор.
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах. Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла. Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность. Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В. Рентгеном (1845-1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией. Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л. Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.
ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярко выраженные компоненты, как это показано на рис. 1. Широкий "континуум" называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли (рис. 2).
Это - три фундаментальных уравнения Лауэ для дифракции рентгеновского излучения, причем числа h, k и c - индексы Миллера для плоскости дифракции.
См. также
КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ . Рассматривая любое из уравнений Лауэ, например первое, можно заметить, что, поскольку a, a0, l - константы, а h = 0, 1, 2, ..., его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a (рис. 5). То же самое верно для направлений b и c. В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция) три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса, расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересечения показана на рис. 6. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга - Вульфа:
Рентгеновские лучи получаются в рентгеновской трубке. Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон, внутри которого вакуум. Имеются 2 электрода - катод и анод. Катод - тонкая вольфрамовая спираль. Анод в старых трубках представлял собой тяжелый медный стержень, со скошенной поверхностью, обращенной к катоду. На скошенной поверхности анода впаивалась пластинка из тугоплавкого металла - зеркало анода (анод при работе сильно разогревается). В центре зеркала находится фокус рентгеновской трубки - это место, где образуются рентгеновские лучи. Чем меньше величина фокуса, тем более четким получаются контуры снимаемого объекта. Малым фокусом считается 1x1 мм, и даже меньше.
В современных рентген-аппаратах электроды производят из тугоплавких металлов. Обычно применяются трубки с вращающимся анодом. Во время работы анод вращается с помощью специального устройства, и электроны, летящие с катода, попадают на оптический фокус. Из-за вращения анода положение оптического фокуса все время меняется, поэтому такие трубки более выносливые, долго не изнашиваются.
Как получают рентгеновские лучи? Вначале нагревают нить катода. Для этого с помощью понижающего трансформатора напряжение на трубке снижают с 220 до 12-15В. Нить катода нагревается, электроны в ней начинают двигаться быстрее, часть электронов выходит за пределы нити и вокруг нее образуется облако свободных электронов. После этого включается ток высокого напряжения, который получается с помощью повышающего трансформатора . В диагностических рентген-аппаратах применяется ток высокого напряжения от 40 до 125 КВ (1КВ=1000В). Чем выше напряжения на трубке, тем короче длина волны. При включении высокого напряжения получается большая разность потенциалов на полюсах трубки, электроны «отрываются» от катода и с большой скоростью устремляются на анод (трубка - простейший ускоритель заряженных частиц). Благодаря специальным устройствам электроны не разлетаются в стороны, а попадают практически в одну точку анода - фокус (фокусное пятно) и тормозятся в электрическом поле атомов анода. При торможении электронов возникают электромагнитные волны, т.е. рентгеновские лучи. Благодаря специальному устройству (в старых трубках - скошенности анода) рентгеновские лучи направляются на больного в виде расходящегося пучка лучей, «конуса».
Рентгеновская пленка – слоистая структура, основной слой представляет собой полиэфирный состав толщиной до 175 мкм, покрытый фотоэмульсией (йодид и бромид серебра, желатин).
1. Сам рентгенкабинет, где находится аппарат и производится исследование больных. Площадь рентген-кабинета должна быть не менее 50 м 2
2. Пультовая, где расположен пульт управления, с помощью которого рентгенлаборант управляет всей работой аппарата.
3. Фотолаборатория, где производится зарядка кассет пленкой, проявление и закрепление снимков, их мойка и сушка. Современным способом фотообработки медицинских рентгеновских пленок является использование проявочных автоматов рольного типа. Помимо несомненного удобства в работе проявочные автоматы обеспечивают высокую стабильность процесса фотообработки. Время полного цикла с момента поступления пленки в проявочную машину до получения сухой рентгенограммы ("от сухого до сухого") не превышает нескольких минут.
4. Кабинет врача, где врач-рентгенолог анализирует и описывает сделанные рентгенограммы.
3 основных способа защиты: защита экранированием, расстоянием и временем.
1 .Защита экранированием:
На пути рентгеновских лучей помещаются специальные устройства, сделанные из материалов, хорошо поглощающих рентгеновские лучи. Это может быть свинец, бетон, баритобетон и т.д. Стены, пол, потолок в рентгенкабинетах защищены, сделаны из материалов, не пропускающих лучи в соседние помещения. Двери защищены просвинцованным материалом. Смотровые окна между рентгенкабинетом и пультовой делаются из просвинцованного стекла. Рентгеновская трубка помещена в специальный защитный кожух, не пропускающий рентгеновских лучей и лучи направляются на больного через специальное "окно". К окну прикреплен тубус, ограничивающий величину пучка рентгеновских лучей. Кроме того, на выходе лучей из трубки устанавливается диафрагма рентгеновского аппарата. Она представляет собой 2 пары пластин, перпендикулярно расположенных друг к другу. Эти пластины можно сдвигать и раздвигать как шторки. Тем самым можно увеличить или уменьшить поле облучения. Чем больше поле облучения, тем больше вред, поэтому диафрагмирование - важная часть защиты, особенно у детей. К тому же и сам врач облучается меньше. Да и качество снимков будет лучше. Еще один пример зашиты экранированием - те части тела исследуемого, которые в данный момент не подлежат съёмке, должны быть прикрыты листами из просвинцованной резины. Имеются также фартуки, юбочки, перчатки из специального защитного материала.
2 .Защита временем:
Больной должен облучаться при рентгенологическом исследовании как можно меньшее время (спешить, но не в ущерб диагностике). В этом смысле снимки дают меньшую лучевую нагрузку, чем просвечивание, т.к. на снимках применяется очень маленькие выдержки (время). Защита временем - это основной способ зашиты и больного и самого врача- рентгенолога. При исследовании больных врач, при прочих равных условиях, старается выбирать метод исследования, на которое уходит меньше времени, но не в ущерб диагностике. В этом смысле от рентгеноскопии больший вред, но, к сожалению, без рентгеноскопии часто невозможно обойтись. Taк при исследовании пищевода, желудка, кишечника применяются оба метода. При выборе метода исследования руководствуемся правилом, что польза от исследования должна быть больше, чем вред. Иногда из-за боязни сделать лишний снимок возникают ошибки в диагностике, неправильно назначается лечение, что иногда стоит жизни больного. О вреде излучения надо помнить, но не надо его бояться, это хуже для больного.
3 .Защита расстоянием:
Согласно квадратичному закону света освещенность той или иной поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности. Применительно к рентгенологическому исследованию это значит, что доза облучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от фокуса рентгеновской трубки до больного (фокусное расстояние). При увеличении фокусного расстояния в 2 раза доза облучения уменьшается в 4 раза, при увеличении фокусного расстояния в 3 раза доза облучения уменьшается в 9 раз.
Не разрешается при рентгеноскопии фокусное расстояние меньше 35 см. Расстояние от стен до рентгеновского аппарата должно быть не менее 2 м, иначе образуются вторичные лучи, которые возникают при попадании первичного пучка лучей на окружающие объекты (стены и т.д.). По этой же причине в рентген-кабинетах не допускается лишняя мебель. Иногда при исследовании тяжелых больных, персонал хирургического и терапевтического отделений помогает больному встать за экран для просвечивания и стоят во время исследования рядом с больным, поддерживают его. Как исключение это допустимо. Но врач-рентгенолог должен следить, чтобы помогающие больному сестры и санитарки надевали защитный фартук и перчатки и, по возможности, не стояли близко к больному (защита расстоянием). Если в рентген-кабинет пришли несколько больных, они вызываются в процедурную по 1 человеку, т.е. в данный момент исследования должен быть только 1 человек.
При диагностической рентгенографии целесообразно проведение снимков не менее, чем в двух проекциях. Это связано с тем что рентгенограмма представляет собой плоское изображение трёхмерного объекта. И как следствие локализацию обнаруженного патологического очага можно установить только с помощью 2 проекций.
Качество полученного рентгеновского снимка определяется 3 основными параметрами. Напряжением, подаваемым на рентгеновскую трубку, силой тока и временем работы трубки. В зависимости от исследуемых анатомических образований, и массо-габаритных данных пациента эти параметры могут существенно изменяться. Существуют средние значения для разных органов и тканей, но следует учитывать что фактические значения будут отличаться в зависимости от аппарата, где проводится исследование и пациента, которому проводится рентгенография. Для каждого аппарата составляется индивидуальная таблица значений. Значения эти не абсолютные и корректируются по мере выполнения исследования. Качество выполняемых снимков во многом зависят от способности рентгенолаборанта адекватно адаптировать таблицу средних значений к конкретному пациенту.
Наиболее распространенным способом записи рентгеновского изображения является фиксация его на рентгенчувствительной пленке с последующей его проявкой. В настоящее время также существуют системы, обеспечивающие регистрацию данных в цифровом виде. В связи с высокой стоимостью и сложностью изготовления данный вид оборудования по распространенности несколько уступает аналоговому.
Рентгеновская пленка помещается в специальные устройства - кассеты (говорят - кассету заряжают). Кассета предохраняет пленку от действия видимого света; последний, как и рентгеновские лучи, обладает способностью восстанавливать металлическое серебро из AgBr. Кассеты делаются из материала, не пропускающего свет, но пропускающего рентгеновские лучи. Внутри кассет имеются усиливающие экраны, пленка укладывается между ними; при выполнении снимка на пленку попадают не только сами рентгеновские лучи, но и свет от экранов (экраны покрыты флюоресцирующей солью, поэтому они светятся и усиливают действие рентгеновских лучей). Это позволяет уменьшить лучевую нагрузку на больного в 10-ки раз.
При выполнении снимка рентгеновские лучи направляют на центр снимаемого объекта (центрация). После съемки в фотолаборатории пленка проявляется в специальных химических реактивах и закрепляется (фиксируется). Дело в том, что на тех частях пленки, на которую при съемке рентгеновские лучи не попали или их попало мало, серебро не восстановилось, и, если пленку не поместить в раствор фиксажа (закрепителя), то при рассмотрении пленки происходит восстановление серебра под влиянием видимого света. Вся пленка почернеет и никакого изображения не будет видно. При закреплении (фиксировании) не восстановившийся AgBr с пленки уходит в раствор фиксажа, поэтому в фиксаже много серебра, и эти растворы не выливаются, а сдаются в рентгеновские центры.
Современным способом фотообработки медицинских рентгеновских пленок является использование проявочных автоматов рольного типа. Помимо несомненного удобства в работе проявочные автоматы обеспечивают высокую стабильность процесса фотообработки. Время полного цикла с момента поступления пленки в проявочную машину до получения сухой рентгенограммы ("от сухого до сухого") не превышает нескольких минут.
Ренгеноргаммы представляют собой изображение, выполненное в черно-белых тонах – негатив. Черные – участки имеющие низкую плотность (легкие, газовый пузырь желудка. Белые - имеющие высокую плотность (кости).
Флюорогра́фия
- Сущность ФОГ в том, что при ней изображение грудной клетки вначале получают на флюоресцирующем экране, и затем делается снимок не самого больного, а его изображения на экране.
Флюорография даёт уменьшенное изображение объекта. Выделяют мелкокадровую (например, 24×24 мм или 35×35 мм) и крупнокадровую (в частности, 70×70 мм или 100×100 мм) методики. Последняя по диагностическим возможностям приближается к рентгенографии. ФОГ применяется для профилактического обследования населения (выявляются скрыто протекающие заболевания, такие как рак и туберкулез).
Разработаны как стационарные, так и мобильные флюорографические аппараты.
В настоящее время плёночная флюорография постепенно заменяется цифровой. Цифровые методы позволяют упростить работу с изображением (изображение может быть выведено на экран монитора, распечатано, передано по сети, сохранено в медицинской базе данных и т. п.), уменьшить лучевую нагрузку на пациента и уменьшить расходы на дополнительные материалы (плёнку, проявитель для плёнки).
Обычная плёночная флюорограмма грудной клетки обеспечивает пациенту среднюю индивидуальную дозу облучения в 0,5 миллизиверта (мЗв) за одну процедуру (цифровая флюорограмма - 0,05 мЗв), в то время как плёночная рентгенограмма - 0,3 мЗв за процедуру (цифровая рентгенограмма - 0,03 мЗв), а компьютерная томография органов грудной клетки - 11 мЗв за процедуру. Магнитно-резонансная томография не несёт лучевой нагрузки
Преимущества рентгенографии
В современных условиях применение флюоресцентного экрана не обосновано в связи с его малой светимостью, что вынуждает проводить исследования в хорошо затемненном помещении и после длительной адаптации исследователя к темноте (10-15 минут) для различения малоинтенсивного изображения.
Теперь флюоресцирующие экраны используются в конструкции УРИ (усилитель рентгеновского изображения), увеличивающего яркость (свечение) первичного изображения примерно в 5 000 раз. С помощью электронно-оптический преобразователя изображение появляется на экране монитора, что существенно улучшает качество диагностики, не требует затемнения рентгеновского кабинета.
Достоинства рентгеноскопии
Главным преимуществом перед рентгенографией является факт исследования в реальном масштабе времени. Это позволяет оценить не только структуру органа, но и его смещаемость, сократимость или растяжимость, прохождение контрастного вещества, наполняемость. Метод также позволяет достаточно быстро оценить локализацию некоторых изменений, за счет вращения объекта исследования во время просвечивания (многопроекционное исследование).
Рентгеноскопия позволяет контролировать проведение некоторых инструментальных процедур - постановка катетеров, ангиопластика (см. ангиография), фистулография.
Полученные изображения могут быть помещены на обычный CD-диск либо в сетевое хранилище.
С приходом цифровых технологий исчезли 3 основных недостатка присущие традиционной рентгеноскопии:
Относительно высокая доза облучения по сравнению с рентгенографией - современные малодозовые аппараты оставили этот недостаток в прошлом. Использование режимов импульсной скопии дополнительно снижает дозовую нагрузку до 90%.
Низкое пространственное разрешение - на современных цифровых аппаратах разрешение в режиме скопии лишь немного уступает разрешению в рентгенографическом режиме. В данном случае, определяющее значение имеет возможность наблюдать функциональное состояние отдельных органов (сердце, лёгкие, желудок, кишечник) "в динамике".
Невозможность документирования исследований - цифровые технологии обработки изображений дают возможность сохранения материалов исследования, как покадрово, так и в виде видеоряда.
Рентгеноскопию производят главным образом при рентгенодиагностике заболеваний внутренних органов, расположенных в брюшной и грудной полостях, по плану, который врач-рентгенолог составляет перед началом исследования. Иногда, так называемую, обзорную рентгеноскопию применяют при распознавании травматических повреждений костей, для уточнения области подлежащей рентгенографии.
Контрастное рентгеноскопическое исследование
Искусственное контрастирование чрезвычайно расширяет возможности рентгеноскопического исследования органов и систем, где плотности тканей приблизительно одинаковы (например, брюшная полость, органы которой пропускают рентгеновское излучение примерно в одинаковой степени и поэтому малоконтрастны). Это достигается путем введения в просвет желудка или кишечника водной взвеси сульфата бария, который не растворяется в пищеварительных соках, не всасывается ни желудком, ни кишечником и выводится естественным путем в совершенно неизмененном виде. Основным достоинством бариевой взвеси является то, что она, проходя по пищеводу, желудку и кишечнику, обмазывает их внутренние стенки и дает на экране или пленке полное представление о характере возвышений, углублений и других особенностей их слизистой оболочки. Исследование внутреннего рельефа пищевода, желудка и кишечника способствует распознаванию ряда заболеваний этих органов. При более тугом заполнении можно определить форму, размеры, положение и функцию исследуемого органа.
2.дифференциальной диагностики между раком и доброкачественными дисгормональными гиперплазиями (ФАМ) молочной железы;
3.оценки роста первичной опухоли (одиночный узел или мультицентричные раковые очаги);
4.динамического диспансерного наблюдения за состоянием молочных желез после оперативных вмешательств.
В медицинскую практику внедрены такие методы лучевой диагностики рака молочной железы: маммография, ультразвуковые исследования, компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, цветная и энергетическая допплерография, стереотаксическая биопсия под контролем маммографии, термография.
Рентгеновская маммография
В настоящее время в мире в подавляющем большинстве случаев для диагностики рака женской молочной железы (РМЖ) используют рентгеновскую проекционную маммографию, пленочную (аналоговую) или цифровую.
Процедура занимает не более 10 минут. Для снимка грудь должна быть зафиксирована между двумя планками и слегка сжата. Снимок делается в двух проекциях, чтобы можно было точно определить местонахождение новообразования, если оно будет найдено. Поскольку симметрия является одним из факторов диагностики, всегда следует проводить исследование обеих молочных желез.
МРТ маммография
Жалобы на западение или выбухание какого-либо участка железы
Выделения из соска, изменение его формы
Болезненность молочной железы, ее отечность, изменение размеров
Доброкачественные опухоли молочной железы (в частности, фиброаденома)
Воспалительные процессы (маститы)
Мастопатия
Опухоли половых органов
Заболевания желез внутренней секреции (щитовидной, поджелудочной)
Бесплодие
Ожирение
Операции на молочной железе в анамнезе
Преимущества цифровой маммографии перед пленочной:
Снижению дозовых нагрузок при проведении рентгеновских исследований;
Повышение эффективности исследований, позволяющим выявлять ранее недоступные патологические процессы (возможности цифровой компьютерной обработки изображений);
Возможности использования телекоммуникационных сетей для передачи изображений с целью дистанционной консультации;
Достижение экономического эффекта при проведении массовых исследований.
В изучении и практическом использовании атомных явлений одну из важнейших ролей играют рентгеновские лучи. Благодаря их исследованию было сделано множество открытий и разработаны методы анализа вещества, применяемые в самых разных областях. Здесь мы рассмотрим один из видов рентгеновских лучей - характеристическое рентгеновское излучение.
Рентгеновское излучение - это высокочастотное изменение состояния электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве со скоростью около 300 000 км/с, то есть электромагнитные волны. На шкале диапазона электромагнитного излучения рентген располагается в области длин волн от приблизительно 10 -8 до 5∙10 -12 метров, что на несколько порядков короче оптических волн. Это соответствует частотам от 3∙10 16 до 6∙10 19 Гц и энергиям от 10 эВ до 250 кэВ, или 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 Дж. Следует отметить, что границы частотных диапазонов электромагнитного излучения достаточно условны вследствие их перекрытия.
Является взаимодействие ускоренных заряженных частиц (электронов высоких энергий) с электрическими и магнитными полями и с атомами вещества.
Фотонам рентгеновских лучей свойственны высокие энергии и большая проникающая и ионизирующая способность, особенно для жесткого рентгена с длинами волн менее 1 нанометра (10 -9 м).
Рентгеновские лучи взаимодействуют с веществом, ионизируя его атомы, в процессах фотоэффекта (фотопоглощения) и некогерентного (комптоновского) рассеяния. При фотопоглощении рентгеновский фотон, поглощаясь электроном атома, передает ему энергию. Если ее величина превышает энергию связи электрона в атоме, то он покидает атом. Комптоновское рассеяние характерно для более жестких (энергичных) рентгеновских фотонов. Часть энергии поглощаемого фотона затрачивается на ионизацию; при этом под некоторым углом к направлению первичного фотона излучается вторичный, с меньшей частотой.
Для получения лучей используют представляющие собой стеклянные вакуумные баллоны с расположенными внутри электродами. Разность потенциалов на электродах нужна очень высокая - до сотен киловольт. На вольфрамовом катоде, подогреваемом током, происходит термоэлектронная эмиссия, то есть с него испускаются электроны, которые, ускоряясь разностью потенциалов, бомбардируют анод. В результате их взаимодействия с атомами анода (иногда его именуют антикатодом) рождаются фотоны рентгеновского диапазона.
В зависимости от того, какой процесс приводит к рождению фотона, различают такие виды рентгеновского излучения, как тормозное и характеристическое.
Электроны могут, встречаясь с анодом, тормозиться, то есть терять энергию в электрических полях его атомов. Эта энергия излучается в форме рентгеновских фотонов. Такое излучение называется тормозным.
Понятно, что условия торможения будут различаться для отдельных электронов. Это значит, что в рентгеновское излучение преобразуются разные количества их кинетической энергии. В результате тормозное излучение включает фотоны разных частот и, соответственно, длин волн. Поэтому спектр его является сплошным (непрерывным). Иногда по этой причине его еще называют «белым» рентгеновским излучением.
Энергия тормозного фотона не может превышать кинетическую энергию порождающего его электрона, так что максимальная частота (и наименьшая длина волны) тормозного излучения соответствует наибольшему значению кинетической энергии налетающих на анод электронов. Последняя же зависит от приложенной к электродам разности потенциалов.
Существует еще один тип рентгеновского излучения, источником которого является иной процесс. Это излучение именуют характеристическим, и мы остановимся на нем подробнее.
Достигнув антикатода, быстрый электрон может проникнуть внутрь атома и выбить какой-либо электрон с одной из нижних орбиталей, то есть передать ему энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Однако при наличии в атоме более высоких энергетических уровней, занятых электронами, освободившееся место пустым не останется.
Необходимо помнить, что электронная структура атома, как и всякая энергетическая система, стремится минимизировать энергию. Образовавшаяся в результате выбивания вакансия заполняется электроном с одного из вышележащих уровней. Его энергия выше, и, занимая более низкий уровень, он излучает излишек в форме кванта характеристического рентгеновского излучения.
Электронная структура атома - это дискретный набор возможных энергетических состояний электронов. Поэтому рентгеновские фотоны, излучаемые в процессе замещения электронных вакансий, также могут иметь только строго определенные значения энергии, отражающие разность уровней. Вследствие этого характеристическое рентгеновское излучение обладает спектром не сплошного, а линейчатого вида. Такой спектр позволяет характеризовать вещество анода - отсюда и название этих лучей. Именно благодаря спектральным различиям ясно, что понимают под тормозным и характеристическим рентгеновским излучением.
Иногда излишек энергии не излучается атомом, а затрачивается на выбивание третьего электрона. Этот процесс - так называемый эффект Оже - с большей вероятностью происходит, когда энергия связи электрона не превышает 1 кэВ. Энергия освобождающегося оже-электрона зависит от структуры энергетических уровней атома, поэтому спектры таких электронов также носят дискретный характер.
Узкие характеристические линии присутствуют в рентгеновской спектральной картине вместе со сплошным тормозным спектром. Если представить спектр в виде графика зависимости интенсивности от длины волны (частоты), в местах расположения линий мы увидим резкие пики. Их позиция зависит от материала анода. Эти максимумы присутствуют при любой разности потенциалов - если есть рентгеновские лучи, пики тоже всегда есть. При повышении напряжения на электродах трубки интенсивность и сплошного, и характеристического рентгеновского излучения нарастает, но расположение пиков и соотношение их интенсивностей не меняется.
Пики в рентгеновских спектрах имеют одинаковый вид независимо от материала облучаемого электронами антикатода, но у различных материалов располагаются на разных частотах, объединяясь в серии по близости значений частоты. Между самими сериями различие по частотам намного значительнее. Вид максимумов никак не зависит от того, представляет ли материал анода чистый химический элемент или же это сложное вещество. В последнем случае характеристические спектры рентгеновского излучения составляющих его элементов просто накладываются друг на друга.
С повышением порядкового номера химического элемента все линии его рентгеновского спектра смещаются в сторону повышения частоты. Спектр при этом сохраняет свой вид.
Явление спектрального сдвига характеристических линий было экспериментально обнаружено английским физиком Генри Мозли в 1913 году. Это позволило ему связать частоты максимумов спектра с порядковыми номерами химических элементов. Таким образом, и длину волны характеристического рентгеновского излучения, как выяснилось, можно четко соотнести с определенным элементом. В общем виде закон Мозли можно записать следующим образом: √f = (Z - S n)/n√R, где f - частота, Z - порядковый номер элемента, S n - постоянная экранирования, n - главное квантовое число и R - постоянная Ридберга. Эта зависимость имеет линейный характер и на диаграмме Мозли выглядит как ряд прямых линий для каждого значения n.
Значения n соответствуют отдельным сериям пиков характеристического рентгеновского излучения. Закон Мозли позволяет по измеряемым значениям длин волн (они однозначно связаны с частотами) максимумов рентгеновского спектра устанавливать порядковый номер химического элемента, облучаемого жесткими электронами.
Структура электронных оболочек химических элементов идентична. На это указывает монотонность сдвигового изменения характеристического спектра рентгеновского излучения. Частотный сдвиг отражает не структурные, а энергетические различия между электронными оболочками, уникальные для каждого элемента.
Существуют небольшие отклонения от строгой линейной зависимости, выражаемой законом Мозли. Они связаны, во-первых, с особенностями порядка заполнения электронных оболочек у некоторых элементов, и, во-вторых, с релятивистскими эффектами движения электронов тяжелых атомов. Кроме того, при изменении количества нейтронов в ядре (так называемом изотопическом сдвиге) положение линий может слегка меняться. Этот эффект дал возможность детально изучить атомную структуру.
Значение закона Мозли чрезвычайно велико. Последовательное применение его к элементам периодической системы Менделеева установило закономерность увеличения порядкового номера соответственно каждому небольшому сдвигу характеристических максимумов. Это способствовало прояснению вопроса о физическом смысле порядкового номера элементов. Величина Z - это не просто номер: это положительный электрический заряд ядра, представляющий собой сумму единичных положительных зарядов частиц, входящих в его состав. Правильность размещения элементов в таблице и наличие в ней пустых позиций (тогда они еще существовали) получили мощное подтверждение. Была доказана справедливость периодического закона.
Закон Мозли, помимо этого, стал основой, на которой возникло целое направление экспериментальных исследований - рентгеновская спектрометрия.
Вкратце вспомним, как устроена электронная Она состоит из оболочек, обозначаемых буквами K, L, M, N, O, P, Q либо цифрами от 1 до 7. Электроны в пределах оболочки характеризуются одинаковым главным квантовым числом n, определяющим возможные значения энергии. Во внешних оболочках энергия электронов выше, а потенциал ионизации для внешних электронов соответственно ниже.
Оболочка включает один или несколько подуровней: s, p, d, f, g, h, i. В каждой оболочке количество подуровней увеличивается на один по сравнению с предыдущей. Количество электронов в каждом подуровне и в каждой оболочке не может превышать определенного значения. Они характеризуются, помимо главного квантового числа, одинаковым значением орбитального определяющего форму электронного облака. Подуровни обозначаются с указанием оболочки, которой они принадлежат, например, 2s, 4d и так далее.
Подуровень содержит которые задаются, кроме главного и орбитального, еще одним квантовым числом - магнитным, определяющим проекцию орбитального момента электрона на направление магнитного поля. Одна орбиталь может иметь не более двух электронов, различающихся значением четвертого квантового числа - спинового.
Рассмотрим подробнее, как возникает характеристическое рентгеновское излучение. Так как происхождение этого типа электромагнитной эмиссии связано с явлениями, происходящими внутри атома, удобнее всего описывать его именно в приближении электронных конфигураций.
Итак, причиной возникновения данного излучения является образование электронных вакансий во внутренних оболочках, обусловленное проникновением высокоэнергичных электронов глубоко внутрь атома. Вероятность того, что жесткий электрон вступит во взаимодействие, возрастает с увеличением плотности электронных облаков. Следовательно, наиболее вероятным будет столкновение в пределах плотно упакованных внутренних оболочек, например, самой нижней К-оболочки. Здесь атом ионизируется, и в оболочке 1s образуется вакансия.
Эта вакансия заполняется электроном из оболочки с большей энергией, избыток которой уносится рентгеновским фотоном. Этот электрон может «упасть» из второй оболочки L, из третьей М и так далее. Так формируется характеристическая серия, в данном примере - К-серия. Указание на то, откуда происходит заполнивший вакансию электрон, дается в виде греческого индекса при обозначении серии. «Альфа» означает, что он происходит из L-оболочки, «бета» - из М-оболочки. В настоящее время существует тенденция к замене греческих буквенных индексов латинскими, принятыми для обозначения оболочек.
Интенсивность альфа-линии в серии всегда наивысшая - это значит, что вероятность заполнения вакансии из соседней оболочки самая высокая.
Теперь мы можем ответить на вопрос, какова максимальная энергия кванта характеристического рентгеновского излучения. Она определяется разностью значений энергии уровней, между которыми совершается переход электрона, по формуле E = E n 2 - E n 1 , где E n 2 и E n 1 - энергии электронных состояний, между которыми произошел переход. Наивысшее значение этого параметра дают переходы К-серии с максимально высоких уровней атомов тяжелых элементов. Но интенсивность этих линий (высота пиков) самая малая, поскольку они наименее вероятны.
Если из-за недостаточности напряжения на электродах жесткий электрон не может достичь К-уровня, он образует вакансию на L-уровне, и формируется менее энергичная L-серия с большими длинами волн. Аналогичным образом рождаются последующие серии.
Кроме того, при заполнении вакансии в результате электронного перехода возникает новая вакансия в вышележащей оболочке. Это создает условия для генерирования следующей серии. Электронные вакансии перемещаются выше с уровня на уровень, и атом испускает каскад характеристических спектральных серий, оставаясь при этом ионизированным.
Атомным рентген-спектрам характеристического рентгеновского излучения свойственна тонкая структура, выражающаяся, как и в оптических спектрах, в расщеплении линий.
Тонкая структура связана с тем, что энергетический уровень - электронная оболочка - представляет собой набор тесно расположенных компонентов - подоболочек. Для характеристики подоболочек введено еще одно, внутреннее квантовое число j, отражающее взаимодействие собственного и орбитального магнитных моментов электрона.
В связи с влиянием спин-орбитального взаимодействия энергетическая структура атома усложняется, и в результате характеристическое рентгеновское излучение имеет спектр, которому свойственны расщепленные линии с очень близко расположенными элементами.
Элементы тонкой структуры принято обозначать дополнительными цифровыми индексами.
Характеристическое рентгеновское излучение обладает особенностью, отраженной только в тонкой структуре спектра. Переход электрона на низший энергетический уровень не происходит с нижней подоболочки вышележащего уровня. Такое событие имеет пренебрежимо малую вероятность.
Это излучение благодаря своим особенностям, описанным законом Мозли, лежит в основе различных рентгеноспектральных методов анализа веществ. При анализе рентгеновского спектра применяют либо дифракцию излучения на кристаллах (волнодисперсионный метод), либо чувствительные к энергии поглощенных рентгеновских фотонов детекторы (энергодисперсионный метод). Большинство электронных микроскопов оснащены теми или иными рентгеноспектрометрическими приставками.
Особенно высокой точностью отличается волнодисперсионная спектрометрия. При помощи особых фильтров выделяются наиболее интенсивные пики в спектре, благодаря чему можно получить практически монохроматическое излучение с точно известной частотой. Материал анода выбирается очень тщательно, чтобы обеспечить получение монохроматического пучка нужной частоты. Его дифракция на кристаллической решетке изучаемого вещества позволяет исследовать структуру решетки с большой точностью. Этот метод применяется также в изучении ДНК и других сложных молекул.
Одна из особенностей характеристического рентгеновского излучения учитывается и в гамма-спектрометрии. Это высокая интенсивность характеристических пиков. В гамма-спектрометрах применяется свинцовая защита от внешних фоновых излучений, вносящих помехи в измерения. Но свинец, поглощая гамма-кванты, испытывает внутреннюю ионизацию, в результате чего активно излучает в рентгеновском диапазоне. Для поглощения интенсивных максимумов характеристического рентгеновского излучения свинца используется дополнительная кадмиевая экранировка. Она, в свою очередь, ионизируется и также излучает в рентгене. Для нейтрализации характеристических пиков кадмия применяют третий экранирующий слой - медный, рентгеновские максимумы которого лежат вне рабочего диапазона частот гамма-спектрометра.
Спектрометрия использует и тормозное, и характеристическое рентгеновское излучение. Так, при анализе веществ исследуются спектры поглощения сплошного рентгена различными веществами.
