Использование рентгеновских лучей. Характеристическое рентгеновское излучение: описание, действие, особенности

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.

История открытия

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.

Виды и их влияние на организм

«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: применение и как работает

Рентгеновское излучение применяется в медицине, а также в других сферах человеческой деятельности.

Рентгеноскопия и компьютерная томография

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.

Рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализ

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.

При беременности

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).

Лечение с помощью него

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.

Хотя ученые открыли эффект рентгена только начиная с 1890-х, применение рентгеновского излучения в медицине для этой природной силы прошло быстро. Сегодня на благо человечества рентгеновское электромагнитное излучение используется в медицине, научных кругах и промышленности, а также для генерации электроэнергии.

Кроме того излучение имеет полезные приложения в таких областях, как сельское хозяйство, археология, космос, работа на правоохранительные органы, геология (включая горнодобывающую промышленность) и многие другие виды деятельности, даже разрабатываются автомобили с применением явления ядерного деления.

Медицинское использование рентгеновского излучения

В медицинских учреждениях врачи и стоматологи используют различные ядерные материалы и процедуры для диагностики, мониторинга и лечения широкого ассортимента метаболических процессов и заболеваний в организме человека. В результате медицинские процедуры с использованием лучей спасли тысячи жизней путем выявления и лечения заболеваний, начиная от гиперфункции щитовидной железы до рака кости.

Наиболее распространенные из этих медицинских процедур включают использование лучей, которые могут пройти через нашу кожу. Когда выполняется снимок, наши кости и другие структуры как бы отбрасывают тени, потому что они плотнее, чем наша кожа, и эти тени могут быть обнаружены на пленке или экране монитора. Эффект похож на размещение карандаша между листом бумаги и светом. Тень от карандаша будет видна на листе бумаги. Разница заключается в том, что лучи невидимы, так что необходим регистрирующий элемент, что-то типа фотоплёнки. Это позволяет врачам и стоматологам оценить применение рентгеновского излучения увидев сломанные кости или проблемы с зубами.

Применение рентгеновского излучения в лечебных целях

Применение рентгеновского излучения целевым образом в лечебных целях не только для обнаружения повреждений. При специализированном использовании, оно предназначено, чтобы убить раковые ткани, уменьшить размер опухоли или уменьшить боль. Например, радиоактивный йод (в частности йод-131) часто используется для лечения рака щитовидной железы, от заболевания от которой страдает много людей.

Аппараты использующие это свойство также подключаются к компьютерам и сканируют, называясь: компьютерная осевая томография или компьютерная томография.

Эти инструменты обеспечивают врачам цветное изображение, которое показывает очертания и детали внутренних органов. Это помогает врачам обнаруживать и идентифицировать опухоли, размер аномалий или другие проблемы физиологических или функциональных органов.
Кроме того больницы и радиологические центры выполняют миллионы процедур ежегодно. В таких процедурах врачи запускают слегка радиоактивные вещества в тело пациентов, чтобы посмотреть некоторые внутренние органы, например, поджелудочную железу, почки, щитовидную железу, печень или головной мозг, для диагностики клинических условий.

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10 -5 нм. Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое - длинноволновым γ-излучением. По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое.

31.1. УСТРОЙСТВО РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ. ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двух-электродный ваккумный прибор (рис. 31.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо теплопрово-дящего материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер атома в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте антикатода. Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место анода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 31.2).

В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов вещества антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.

Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная

индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов образуется непрерывный спектр рентгеновского излучения. В связи с этим тормозное излучение называют еще сплошным. На рис. 31.3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны λ (спектры) при разных напряжениях в рентгеновской трубке: U 1 < U 2 < U 3 .

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение λ ηίη возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

Заметим, что на основе (31.2) разработан один из наиболее точных способов экспериментального определения постоянной Планка.

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое - мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, как это видно из рис. 31.3 и формулы (31.3), и увеличивают жесткость.

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 31.4 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: / н1 < / н2 .

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле:

где U и I - напряжение и сила тока в рентгеновской трубке; Z - порядковый номер атома вещества анода; k - коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I H , изображены на рис. 31.5.

31.2. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. АТОМНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ СПЕКТРЫ

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует

характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 31.6). Он возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней (рис. 31.7), в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Как видно из рисунка, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, М и т.д., наименование которых и послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении K-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.

В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. На рис. 31.8 показаны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность видна из рис. 31.8 и известна как закон Мозли:

где v - частота спектральной линии; Z- атомный номер испускающего элемента; А и В - постоянные.

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами.

Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, O 2 и Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия характеристическое.

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. 32.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

31.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии иони-зации 1 А и имеют место три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеяние

Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < А и.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. 24.7).

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона)

В 1922 г. А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерент ным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: hv > А и.

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hv фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv", на отрыв электрона от атома (энергия ионизации А и) и сообщение электрону кинетической энергии Е к:

hv= hv" + А и +Е к. (31.6)

1 Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.

Так как во многих случаях hv >> А и и эффект Комптона происходит на свободных электронах, то можно записать приближенно:

hv = hv"+ E K . (31.7)

Существенно, что в этом явлении (рис. 31.9) наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv " фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Е к электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект

При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация).

Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Так, например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п.

На рис. 31.10 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения. В итоге произойдут изменения молекулярного состава вещества.

Процессы, представленные схемой рис. 31.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.

Рентгенолюминесценция - свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример - воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют

в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом (29.3). Запишем его в виде:

I = I 0 е-/", (31.8)

где μ - линейный коэффициент ослабления. Его можно представить состоящим из трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию μ κ , некогерентному μ ΗΚ и фотоэффекту μф:

μ = μ к + μ hk + μ ф. (31.9)

Интенсивность рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то

31.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ

Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения - просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).

Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60-120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально λ 3), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:

Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия - изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.

Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. В качестве примера такого приспособления можно указать электронно-оптические преобразователи (см. 27.8). При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии - флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» - компьютерная томография.

Рассмотрим этот вопрос.

Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно (рис. 31.11) в противофазе перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на рисунке. Как видно, рентгеновские лучи при любом положении рентгеновской трубки (1, 2 и т.д.) проходят че-

рез одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Эта точка, точнее небольшое непрозрачное включение, показана темным кружком. Его теневое изображение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положения 1, 2 и т.д. Остальные включения в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий фон, так как рентгеновские лучи не постоянно затеняются ими. Изменяя положение центра качания, можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название - томография (послойная запись).

Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран (вместо Фп), состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения (см. 32.5), и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различии поглощения рентгеновского излучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.

В 1895 году немецкий физик В.Рентген открыл новый, не известный ранее вид электромагнитного излучения, которое в честь его первооткрывателя было названо рентгеновским. В. Рентген стал автором своего открытия в возрасте 50 лет, занимая пост ректора Вюрцбургского Университета и имея репутацию одного из лучших экспериментаторов своего времени. Одним из первых нашел техническое применение открытию Рентгена американец Эдисон. Он создал удобный демонстрационный аппарат и уже в мае 1896 года организовал в Нью-Йорке рентгеновскую выставку, на которой посетители могли разглядывать собственную руку на светящемся экране. После того, как помощник Эдисона умер от тяжелых ожогов, которые он получил при постоянных демонстрациях, изобретатель прекратил дальнейшие опыты с рентгеновскими лучами.

Рентгеновское излучение стали применять в медицине в связи с его большой проникающей способностью. Поначалу, рентгеновское излучение использовалось для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел в теле человека. В настоящее время существует несколько методов, основанных на рентгеновском излучении. Но у данных методов есть свои недостатки: излучение может вызвать глубокие повреждения кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Рентгеноскопия (синоним просвечивание) — один из основных методов рентгенологического исследования, состоящий в получении на просвечивающем (флюоресцирующем) экране плоскостного позитивного изображения исследуемого объекта. При рентгеноскопии исследуемый находится между просвечивающим экраном и рентгеновской трубкой. На современных рентгеновских просвечивающих экранах изображение возникает в момент включения рентгеновской трубки и исчезает сразу же после ее выключения. Рентгеноскопия дает возможность изучить функцию органа - пульсацию сердца, дыхательные движения ребер, легких, диафрагмы, перистальтику органов пищеварительного тракта и т.д. Рентгеноскопия используется при лечении заболеваний желудка, желудочно-кишечного тракта, 12-перстной кишки, заболеваний печени, желчного пузыря и желчевыводящих путей. При этом медицинский зонд и манипуляторы вводят без повреждения тканей, а действия в процессе операции контролируются рентгеноскопией и видны на мониторе.
Рентгенография - метод рентгенодиагностики с регистрацией неподвижного изображения на светочувствительном материале - спец. фотоплёнке (рентгеновской плёнке) или фотобумаге с последующей фотообработкой; при цифровой рентгенографии изображение фиксируется в памяти компьютера. Выполняется на рентгенодиагностических аппаратах - стационарных, установленных в специально оборудованных рентгеновских кабинетах, или передвижных и переносных - у постели больного или в операционной. На рентгенограммах значительно отчетливей, чем на флюоресцирующем экране, отображаются элементы структур различных органов. Рентгенографию выполняют в целях выявления и профилактики различных заболеваний, основная цель её помочь врачам разных специальностей правильно и быстро поставить диагноз. Рентгеновский снимок фиксирует состояние органа или ткани лишь в момент съемки. Однако однократная рентгенограмма фиксирует только анатомические изменения в определенный момент, она дает статику процесса; посредством серии рентгенограмм, произведенных через определенные промежутки времени, можно изучить динамику процесса, то есть функциональные изменения. Томография. Слово томография можно перевести с греческого как «изображение среза». Это означает, что назначение томографии - получение послойного изображения внутренней структуры объекта исследования. Компьютерная томогарфия характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами. Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.
Флюорография - диагностический метод, позволяющий получить изображение органов и тканей, был разработан еще в конце 20-го столетия, спустя год после того, как были обнаружены рентгеновские лучи. На снимках можно разглядеть склероз, фиброз, инородные предметы, новообразования, воспаления, имеющие развитую степень, присутствие в полостях газов и инфильтрата, абсцессы, кисты и так далее. Чаще всего производится флюорография грудной клетки, позволяющая выявить туберкулез, злокачественную опухоль в легких или груди и иные патологии.
Рентгенотерапия — это современный метод, с помощью которого производится лечение некоторых патологий суставов. Основными направлениями лечения ортопедических заболеваний данным методом, являются: Хронические. Воспалительные процессы суставов (артрит, полиартрит); Дегенеративные (остеоартроз, остеохондроз, деформирующий спондилез). Целью рентгенотерапии является угнетение жизнедеятельности клеток патологически изменённых тканей или полное их разрушение. При неопухолевых заболеваниях рентгенотерапия направлена на подавление воспалительной реакции, угнетение пролиферативных процессов, снижение болевой чувствительности и секреторной активности желёз. Следует учитывать, что наиболее чувствительны к рентгеновским лучам половые железы, кроветворные органы, лейкоциты, клетки злокачественных опухолей. Дозу облучения в каждом конкретном случае определяют индивидуально.

За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия.
Таким образом, рентгеновские лучи представляют собой невидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 - 102 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.

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.

Природа и свойства рентгеновских лучей

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.

Виды рентгеновского излучения. Тормозное излучение

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.

Как возникает характеристическое рентгеновское излучение

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.

Общий вид характеристического спектра

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.

Закон Мозли

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.

Роль закона Мозли в атомной физике

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.

Строение электронных оболочек атома

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.

Механизм генерации характеристического рентгеновского излучения

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.

Тонкая структура характеристических спектров

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.

Использование рентгена в спектрометрии

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.