Utilizzo dei raggi X. Radiazione caratteristica dei raggi X: descrizione, azione, caratteristiche

I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica ad alta energia. È attivamente utilizzato in vari rami della medicina.

I raggi X sono onde elettromagnetiche la cui energia fotonica sulla scala delle onde elettromagnetiche è compresa tra la radiazione ultravioletta e la radiazione gamma (da ~10 eV a ~1 MeV), che corrisponde a lunghezze d'onda da ~10^3 a ~10^−2 angstrom (da da ~10^−7 a ~10^−12 m). Si tratta cioè di una radiazione incomparabilmente più dura della luce visibile, che si trova su questa scala tra i raggi ultravioletti e quelli infrarossi (“termici”).

Il confine tra i raggi X e la radiazione gamma è distinto in modo condizionale: i loro intervalli si intersecano, i raggi gamma possono avere un'energia di 1 keV. Differiscono nell'origine: i raggi gamma vengono emessi durante i processi che avvengono nei nuclei atomici, mentre i raggi X vengono emessi durante i processi che coinvolgono gli elettroni (sia liberi che quelli situati nei gusci elettronici degli atomi). Allo stesso tempo, è impossibile determinare dal fotone stesso durante quale processo è sorto, cioè la divisione nelle gamme di raggi X e gamma è in gran parte arbitraria.

La gamma dei raggi X è divisa in “raggi X molli” e “raggi X duri”. Il confine tra loro si trova ad una lunghezza d'onda di 2 angstrom e 6 keV di energia.

Un generatore di raggi X è un tubo in cui viene creato il vuoto. Lì si trovano gli elettrodi: un catodo, a cui viene applicata una carica negativa, e un anodo caricato positivamente. La tensione tra loro è di decine o centinaia di kilovolt. La generazione di fotoni a raggi X avviene quando gli elettroni “si staccano” dal catodo e si schiantano contro la superficie dell’anodo ad alta velocità. La radiazione di raggi X risultante è chiamata “bremsstrahlung”; i suoi fotoni hanno lunghezze d’onda diverse.

Allo stesso tempo vengono generati fotoni dello spettro caratteristico. Alcuni elettroni negli atomi della sostanza anodica sono eccitati, cioè si spostano su orbite più alte e poi ritornano al loro stato normale, emettendo fotoni di una certa lunghezza d'onda. In un generatore standard vengono prodotti entrambi i tipi di radiazioni a raggi X.

Storia della scoperta

L'8 novembre 1895 lo scienziato tedesco Wilhelm Conrad Roentgen scoprì che alcune sostanze cominciavano a brillare se esposte ai "raggi catodici", cioè a un flusso di elettroni generato da un tubo a raggi catodici. Ha spiegato questo fenomeno con l'influenza di alcuni raggi X: così viene ora chiamata questa radiazione in molte lingue. Più tardi V.K. Roentgen studiò il fenomeno che scoprì. Il 22 dicembre 1895 tenne una relazione su questo argomento all'Università di Würzburg.

Successivamente si è scoperto che la radiazione a raggi X era stata osservata in precedenza, ma ai fenomeni ad essa associati non è stata data molta importanza. Il tubo a raggi catodici è stato inventato molto tempo fa, ma prima che V.K. Nessuno prestava molta attenzione ai raggi X sull'annerimento delle lastre fotografiche vicine, ecc. fenomeni. Anche il pericolo rappresentato dalle radiazioni penetranti era sconosciuto.

Tipi e loro effetti sul corpo

I “raggi X” sono il tipo più lieve di radiazione penetrante. L’eccessiva esposizione ai raggi X molli ricorda gli effetti delle radiazioni ultraviolette, ma in una forma più grave. Sulla pelle si forma un'ustione, ma il danno è più profondo e guarisce molto più lentamente.

I raggi X duri sono una radiazione ionizzante a tutti gli effetti che può portare a malattie da radiazioni. I quanti di raggi X possono rompere le molecole proteiche che compongono i tessuti del corpo umano, così come le molecole di DNA del genoma. Ma anche se il quanto dei raggi X rompe una molecola d'acqua, non fa alcuna differenza: in questo caso si formano radicali liberi chimicamente attivi H e OH, che a loro volta sono in grado di influenzare le proteine ​​e il DNA. La malattia da radiazioni si manifesta in forma più grave, quanto più sono colpiti gli organi emopoietici.

I raggi X hanno attività mutagena e cancerogena. Ciò significa che aumenta la probabilità di mutazioni spontanee nelle cellule durante l'irradiazione e talvolta le cellule sane possono degenerare in cancerose. Una maggiore probabilità di tumori maligni è una conseguenza standard di qualsiasi esposizione alle radiazioni, compresi i raggi X. I raggi X sono il tipo meno pericoloso di radiazioni penetranti, ma possono comunque essere pericolosi.

Radiazione a raggi X: applicazione e come funziona

Le radiazioni a raggi X vengono utilizzate in medicina, così come in altre aree dell'attività umana.

Fluoroscopia e tomografia computerizzata

L'uso più comune dei raggi X è la fluoroscopia. La “radiografia” del corpo umano consente di ottenere un'immagine dettagliata sia delle ossa (sono visibili più chiaramente) sia delle immagini degli organi interni.

La diversa trasparenza dei tessuti corporei ai raggi X è associata alla loro composizione chimica. Le caratteristiche strutturali delle ossa sono che contengono molto calcio e fosforo. Altri tessuti sono costituiti principalmente da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Un atomo di fosforo pesa quasi il doppio di un atomo di ossigeno e un atomo di calcio pesa 2,5 volte (il carbonio, l'azoto e l'idrogeno sono addirittura più leggeri dell'ossigeno). A questo proposito, l'assorbimento dei fotoni dei raggi X nelle ossa è molto più elevato.

Oltre alle “istantanee” bidimensionali, la radiografia permette di creare un’immagine tridimensionale di un organo: questo tipo di radiografia è chiamata tomografia computerizzata. Per questi scopi vengono utilizzati i raggi X molli. La quantità di radiazione ricevuta da un'immagine è piccola: è approssimativamente uguale alla radiazione ricevuta durante un volo di 2 ore su un aereo a un'altitudine di 10 km.

Il rilevamento dei difetti a raggi X consente di rilevare piccoli difetti interni nei prodotti. Utilizza raggi X duri, poiché molti materiali (i metalli, ad esempio) sono poco “trasparenti” a causa dell'elevata massa atomica della sostanza che li costituisce.

Diffrazione di raggi X e analisi di fluorescenza di raggi X

I raggi X hanno proprietà che consentono loro di esaminare in dettaglio i singoli atomi. L'analisi della diffrazione dei raggi X viene utilizzata attivamente in chimica (compresa la biochimica) e cristallografia. Il principio del suo funzionamento è la diffusione per diffrazione dei raggi X su atomi di cristalli o molecole complesse. Utilizzando l'analisi di diffrazione dei raggi X, è stata determinata la struttura della molecola di DNA.

L'analisi della fluorescenza a raggi X consente di determinare rapidamente la composizione chimica di una sostanza.

Esistono molte forme di radioterapia, ma tutte prevedono l’uso di radiazioni ionizzanti. La radioterapia si divide in 2 tipologie: corpuscolare e ondulatoria. Corpuscular utilizza flussi di particelle alfa (nuclei di atomi di elio), particelle beta (elettroni), neutroni, protoni e ioni pesanti. Wave utilizza i raggi dello spettro elettromagnetico: raggi X e gamma.

I metodi di radioterapia sono utilizzati principalmente per il trattamento del cancro. Il fatto è che le radiazioni colpiscono principalmente le cellule in divisione attiva, motivo per cui gli organi ematopoietici soffrono così tanto (le loro cellule si dividono costantemente, producendo sempre più nuovi globuli rossi). Inoltre, le cellule tumorali si dividono costantemente e sono più vulnerabili alle radiazioni rispetto ai tessuti sani.

Viene utilizzato un livello di radiazioni che sopprime l’attività delle cellule tumorali pur avendo un effetto moderato sulle cellule sane. Sotto l'influenza delle radiazioni, non si verifica la distruzione delle cellule in quanto tali, ma il danno al loro genoma: le molecole di DNA. Una cellula con un genoma distrutto può esistere per qualche tempo, ma non può più dividersi, cioè la crescita del tumore si ferma.

La terapia a raggi X è la forma più lieve di radioterapia. La radiazione ondulatoria è più morbida della radiazione corpuscolare e i raggi X sono più morbidi della radiazione gamma.

Durante la gravidanza

L'uso di radiazioni ionizzanti durante la gravidanza è pericoloso. I raggi X sono mutageni e possono causare problemi al feto. La radioterapia è incompatibile con la gravidanza: può essere utilizzata solo se è già stato deciso di abortire. Le restrizioni sulla fluoroscopia sono più lievi, ma nei primi mesi è anche severamente vietata.

Se assolutamente necessario, l'esame radiografico viene sostituito dalla risonanza magnetica. Ma nel primo trimestre cercano anche di evitarlo (questo metodo è apparso di recente, e possiamo dire con assoluta certezza che non ci sono conseguenze dannose).

Un chiaro pericolo sorge in caso di esposizione a una dose totale di almeno 1 mSv (nelle vecchie unità - 100 mR). Con una semplice radiografia (ad esempio durante la fluorografia), il paziente riceve circa 50 volte di meno. Per ricevere una tale dose in una sola volta, è necessario sottoporsi a una tomografia computerizzata dettagliata.

Cioè, il fatto stesso di 1-2 x "radiografia" in una fase iniziale della gravidanza non minaccia conseguenze gravi (ma è meglio non rischiare).

Trattamento con esso

I raggi X vengono utilizzati principalmente nella lotta contro i tumori maligni. Questo metodo è buono perché è molto efficace: uccide il tumore. È un male perché i tessuti sani se la passano leggermente meglio e ci sono numerosi effetti collaterali. Gli organi emopoietici sono particolarmente a rischio.

In pratica, vengono utilizzati vari metodi per ridurre l'impatto dei raggi X sui tessuti sani. I raggi sono diretti ad angolo in modo che il tumore si trovi nell'area della loro intersezione (per questo motivo, l'assorbimento principale di energia avviene proprio lì). A volte la procedura viene eseguita in movimento: il corpo del paziente ruota rispetto alla sorgente di radiazioni attorno a un asse che passa attraverso il tumore. In questo caso, i tessuti sani si trovano nella zona di irradiazione solo occasionalmente, mentre i tessuti malati sono costantemente esposti.

I raggi X vengono utilizzati nel trattamento di alcune artrosi e malattie simili, nonché di malattie della pelle. In questo caso, la sindrome del dolore si riduce del 50-90%. Poiché la radiazione utilizzata è più morbida, non si osservano effetti collaterali simili a quelli che si verificano nel trattamento dei tumori.

Sebbene gli scienziati abbiano scoperto l’effetto dei raggi X solo a partire dal 1890, l’uso medico dei raggi X per questa forza naturale ha fatto rapidi progressi. Oggi, a beneficio dell’umanità, la radiazione elettromagnetica a raggi X viene utilizzata in medicina, nel mondo accademico e nell’industria, nonché per generare elettricità.

Inoltre, le radiazioni hanno applicazioni utili in settori come l'agricoltura, l'archeologia, lo spazio, le forze dell'ordine, la geologia (compresa l'estrazione mineraria) e molte altre attività, persino le automobili vengono sviluppate sfruttando il fenomeno della fissione nucleare.

Usi medici dei raggi X

In ambito sanitario, medici e dentisti utilizzano una varietà di materiali e procedure nucleari per diagnosticare, monitorare e trattare un’ampia gamma di processi metabolici e malattie nel corpo umano. Di conseguenza, le procedure mediche che utilizzano i raggi hanno salvato migliaia di vite individuando e curando malattie che vanno da una ghiandola tiroidea iperattiva al cancro alle ossa.

La più comune di queste procedure mediche prevede l'uso di raggi che possono attraversare la nostra pelle. Quando viene scattata un'immagine, le nostre ossa e altre strutture sembrano proiettare ombre perché sono più dense della nostra pelle e queste ombre possono essere rilevate sulla pellicola o sullo schermo di un monitor. L'effetto è simile a quello ottenuto mettendo una matita tra un pezzo di carta e una luce. L'ombra della matita sarà visibile sul pezzo di carta. La differenza è che i raggi sono invisibili, quindi è necessario un elemento di registrazione, qualcosa come una pellicola fotografica. Ciò consente a medici e dentisti di valutare l'uso dei raggi X quando si riscontrano ossa rotte o problemi dentali.

L'uso delle radiazioni a raggi X per scopi medicinali

L'uso mirato dei raggi X a scopo terapeutico non serve solo a individuare i danni. Se utilizzato specificamente, ha lo scopo di uccidere il tessuto canceroso, ridurre le dimensioni del tumore o ridurre il dolore. Ad esempio, lo iodio radioattivo (in particolare lo iodio-131) è spesso usato per trattare il cancro alla tiroide, una condizione che colpisce molte persone.

I dispositivi che utilizzano questa proprietà si collegano anche ai computer ed effettuano scansioni, chiamate: tomografia assiale computerizzata o tomografia computerizzata.

Questi strumenti forniscono ai medici immagini a colori che mostrano il contorno e i dettagli degli organi interni. Aiuta i medici a rilevare e identificare tumori, anomalie dimensionali o altri problemi fisiologici o funzionali agli organi.
Inoltre, gli ospedali e i centri di radiologia eseguono milioni di procedure ogni anno. In tali procedure, i medici rilasciano sostanze leggermente radioattive nel corpo dei pazienti per esaminare alcuni organi interni, come il pancreas, i reni, la tiroide, il fegato o il cervello, per diagnosticare condizioni cliniche.

Per radiazione a raggi X si intendono onde elettromagnetiche con una lunghezza compresa tra circa 80 e 10 -5 nm. La radiazione a raggi X a onda più lunga è sovrapposta alla radiazione ultravioletta a onda corta e la radiazione a raggi X a onda corta è sovrapposta alla radiazione γ a onda lunga. In base al metodo di eccitazione, la radiazione a raggi X è divisa in bremsstrahlung e caratteristica.

31.1. DISPOSITIVO A TUBO RAGGI X. Radiografia di Bremsstrahlung

La fonte più comune di radiazioni a raggi X è un tubo a raggi X, che è un dispositivo a vuoto a due elettrodi (Fig. 31.1). Catodo riscaldato 1 emette elettroni 4. L'anodo 2, spesso chiamato anticatodo, ha una superficie inclinata per dirigere la radiazione dei raggi X risultante 3 ad angolo rispetto all'asse del tubo. L'anodo è costituito da un materiale altamente conduttore di calore per rimuovere il calore generato dagli impatti degli elettroni. La superficie dell'anodo è costituita da materiali refrattari che hanno un numero atomico elevato nella tavola periodica, ad esempio il tungsteno. In alcuni casi, l'anodo viene raffreddato appositamente con acqua o olio.

Per i tubi diagnostici è importante la precisione della sorgente di raggi X, che può essere ottenuta focalizzando gli elettroni in un punto dell'anticatodo. Pertanto, costruttivamente è necessario tenere conto di due compiti opposti: da un lato, gli elettroni devono cadere su un punto dell'anodo, dall'altro, per evitare il surriscaldamento, è auspicabile distribuire gli elettroni su diverse aree dell'anodo l'anodo. Una soluzione tecnica interessante è un tubo a raggi X con anodo rotante (Fig. 31.2).

Come risultato della frenatura di un elettrone (o di un'altra particella carica) da parte del campo elettrostatico del nucleo atomico e degli elettroni atomici della sostanza, si forma un anticatodo Radiazione a raggi X di Bremsstrahlung.

Il suo meccanismo può essere spiegato come segue. Ad una carica elettrica in movimento è associato un campo magnetico, la cui induzione dipende dalla velocità dell'elettrone. Durante la frenata il campo magnetico diminuisce

induzione e, secondo la teoria di Maxwell, appare un'onda elettromagnetica.

Quando gli elettroni vengono decelerati, solo una parte dell'energia viene utilizzata per creare un fotone a raggi X, l'altra parte viene spesa per riscaldare l'anodo. Poiché la relazione tra queste parti è casuale, quando un gran numero di elettroni viene decelerato, si forma uno spettro continuo di radiazioni di raggi X. A questo proposito, la bremsstrahlung è anche chiamata radiazione continua. Nella fig. La Figura 31.3 mostra la dipendenza del flusso di raggi X dalla lunghezza d'onda λ (spettri) a diverse tensioni nel tubo a raggi X: U1< U 2 < U 3 .

In ciascuno degli spettri è presente la bremsstrahlung con la lunghezza d'onda più corta λ ηίη avviene quando l’energia acquisita da un elettrone in un campo accelerato viene completamente convertita in energia fotonica:

Si noti che sulla base della (31.2) è stato sviluppato uno dei metodi più accurati per determinare sperimentalmente la costante di Planck.

I raggi X a onde corte sono generalmente più penetranti dei raggi X a onde lunghe e vengono chiamati difficile, e onde lunghe - morbido.

Aumentando la tensione sul tubo a raggi X, la composizione spettrale della radiazione cambia, come si può vedere dalla Fig. 31.3 e formule (31.3), e aumentare la rigidità.

Se si aumenta la temperatura del filamento del catodo, aumenterà l'emissione di elettroni e la corrente nel tubo. Ciò aumenterà il numero di fotoni di raggi X emessi ogni secondo. La sua composizione spettrale non cambierà. Nella fig. La Figura 31.4 mostra gli spettri della bremsstrahlung dei raggi X alla stessa tensione, ma a diverse correnti di riscaldamento del catodo: / n1< / н2 .

Il flusso di raggi X si calcola utilizzando la formula:

Dove U E IO - tensione e corrente nel tubo a raggi X; Z- numero di serie dell'atomo della sostanza anodica; K- coefficiente di proporzionalità. Spettri ottenuti da anticatodi diversi contemporaneamente U e I H sono mostrati in Fig. 31.5.

31.2. RADIAZIONE RAGGI X CARATTERISTICA. SPETTRI RAGGI X ATOMICI

Aumentando la tensione sul tubo a raggi X si può notare, sullo sfondo di uno spettro continuo, la comparsa di uno spettro a righe, che corrisponde a

caratteristica radiazione a raggi X(Fig. 31.6). Sorge a causa del fatto che gli elettroni accelerati penetrano in profondità nell'atomo ed eliminano gli elettroni dagli strati interni. Gli elettroni dei livelli superiori si spostano in luoghi liberi (Fig. 31.7), di conseguenza vengono emessi fotoni di radiazione caratteristica. Come si può vedere dalla figura, la radiazione X caratteristica è costituita da serie K, L, M ecc., il cui nome serviva a designare gli strati elettronici. Poiché l'emissione della serie K libera posti negli strati superiori, contemporaneamente vengono emesse anche linee di altre serie.

A differenza degli spettri ottici, gli spettri caratteristici dei raggi X di atomi diversi sono dello stesso tipo. Nella fig. La Figura 31.8 mostra gli spettri di vari elementi. L'uniformità di questi spettri è dovuta al fatto che gli strati interni di atomi diversi sono identici e differiscono solo energeticamente, poiché l'azione della forza proveniente dal nucleo aumenta all'aumentare del numero atomico dell'elemento. Questa circostanza porta al fatto che gli spettri caratteristici si spostano verso frequenze più alte con l'aumento della carica nucleare. Questo modello è visibile dalla Fig. 31.8 ed è noto come Legge di Moseley:

Dove v- frequenza della linea spettrale; Z- numero atomico dell'elemento emittente; UN E IN- permanente.

C'è un'altra differenza tra gli spettri ottici e quelli a raggi X.

Lo spettro caratteristico dei raggi X di un atomo non dipende dal composto chimico in cui questo atomo è incluso. Ad esempio, lo spettro dei raggi X dell'atomo di ossigeno è lo stesso per O, O 2 e H 2 O, mentre gli spettri ottici di questi composti sono significativamente diversi. Questa caratteristica dello spettro dei raggi X dell'atomo è servita come base per il nome caratteristica.

La radiazione caratteristica si verifica sempre quando c'è spazio libero negli strati interni dell'atomo, indipendentemente dal motivo che l'ha provocata. Ad esempio, la radiazione caratteristica accompagna uno dei tipi di decadimento radioattivo (vedi 32.1), che consiste nella cattura di un elettrone dallo strato interno da parte del nucleo.

31.3. INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE X CON LA MATERIA

La registrazione e l'uso della radiazione a raggi X, nonché il suo impatto sugli oggetti biologici, sono determinati dai processi primari di interazione del fotone dei raggi X con gli elettroni degli atomi e delle molecole della sostanza.

A seconda del rapporto energetico hv fotone e energia di ionizzazione 1 A e hanno luogo tre processi principali.

Scattering coerente (classico).

La diffusione dei raggi X a onde lunghe avviene essenzialmente senza modificare la lunghezza d'onda e viene chiamata coerente. Si verifica se l'energia del fotone è inferiore all'energia di ionizzazione: hv< A e.

Poiché in questo caso l'energia del fotone dei raggi X e dell'atomo non cambia, la diffusione coerente di per sé non provoca un effetto biologico. Tuttavia, quando si crea una protezione contro le radiazioni dei raggi X, è necessario tenere conto della possibilità di modificare la direzione del raggio primario. Questo tipo di interazione è importante per l'analisi di diffrazione dei raggi X (vedi 24.7).

Scattering incoerente (effetto Compton)

Nel 1922 A.Kh. Compton, osservando la diffusione dei raggi X duri, scoprì una diminuzione del potere di penetrazione del fascio diffuso rispetto a quello incidente. Ciò significava che la lunghezza d'onda dei raggi X diffusi era più lunga dei raggi X incidenti. Viene chiamata diffusione dei raggi X con un cambiamento nella lunghezza d'onda incoerente nom, e il fenomeno stesso - Effetto Compton. Si verifica se l'energia del fotone dei raggi X è maggiore dell'energia di ionizzazione: hv > A e.

Questo fenomeno è dovuto al fatto che quando si interagisce con un atomo, l'energia hv il fotone viene speso per la formazione di un nuovo fotone di raggi X diffuso con energia hv", rimuovere un elettrone da un atomo (energia di ionizzazione A e) e impartire energia cinetica all'elettrone E a:

hv= hv" + A e + E k.(31.6)

1 In questo caso, l'energia di ionizzazione si riferisce all'energia richiesta per rimuovere gli elettroni interni da un atomo o da una molecola.

Poiché in molti casi hv>> E e l'effetto Compton si verifica sugli elettroni liberi, allora possiamo scrivere approssimativamente:

hv = hv"+ E K .(31.7)

È significativo che in questo fenomeno (Fig. 31.9), insieme alla radiazione a raggi X secondaria (energia hv" fotone) compaiono elettroni di rinculo (energia cinetica E k elettrone). Gli atomi o le molecole diventano quindi ioni.

Effetto foto

Nell'effetto fotoelettrico, i raggi X vengono assorbiti da un atomo, provocando l'espulsione di un elettrone e la ionizzazione dell'atomo (fotoionizzazione).

I tre principali processi di interazione discussi sopra sono primari, portano a successivi processi secondari, terziari, ecc. fenomeni. Ad esempio, gli atomi ionizzati possono emettere uno spettro caratteristico, gli atomi eccitati possono diventare sorgenti di luce visibile (luminescenza a raggi X), ecc.

Nella fig. 31.10 mostra un diagramma dei possibili processi che si verificano quando la radiazione dei raggi X entra in una sostanza. Diverse dozzine di processi simili a quello illustrato possono verificarsi prima che l'energia del fotone dei raggi X venga convertita nell'energia del movimento termico molecolare. Di conseguenza, si verificheranno cambiamenti nella composizione molecolare della sostanza.

I processi rappresentati dallo schema di Fig. 31.10, costituiscono la base dei fenomeni osservati quando i raggi X agiscono sulla materia. Elenchiamone alcuni.

Luminescenza dei raggi X- bagliore di un certo numero di sostanze sotto l'irradiazione dei raggi X. Questo bagliore di bario-sinossido di platino ha permesso a Roentgen di scoprire i raggi. Questo fenomeno viene utilizzato per creare speciali schermi luminosi allo scopo di osservare visivamente la radiazione a raggi X, a volte per potenziare l'effetto dei raggi X su una lastra fotografica.

Sono noti gli effetti chimici dei raggi X, ad esempio la formazione di perossido di idrogeno nell'acqua. Un esempio praticamente importante è l'effetto su una lastra fotografica, che permette di registrare tali raggi.

L'effetto ionizzante si manifesta in un aumento della conduttività elettrica sotto l'influenza dei raggi X. Questa proprietà viene utilizzata

in dosimetria per quantificare gli effetti di questo tipo di radiazioni.

Come risultato di molti processi, il fascio primario di radiazione a raggi X viene indebolito in conformità con la legge (29.3). Scriviamolo nella forma:

io = io 0 e-/", (31.8)

Dove μ - coefficiente di attenuazione lineare. Può essere rappresentato come composto da tre termini corrispondenti allo scattering coerente μ κ, incoerente μ ΗK e all'effetto fotoelettrico μ F:

μ = µk + µhk + µf. (31,9)

L'intensità della radiazione dei raggi X viene attenuata in proporzione al numero di atomi della sostanza attraverso cui passa questo flusso. Se comprimi una sostanza lungo l'asse X, per esempio, dentro B volte, aumentando di B dalla sua densità, quindi

31.4. BASI FISICHE DELL'APPLICAZIONE DELLE RADIAZIONI X IN MEDICINA

Uno degli usi medici più importanti dei raggi X è quello di illuminare gli organi interni per scopi diagnostici. (diagnostica radiografica).

Per la diagnostica vengono utilizzati fotoni con un'energia di circa 60-120 keV. A questa energia il coefficiente di attenuazione della massa è determinato principalmente dall'effetto fotoelettrico. Il suo valore è inversamente proporzionale alla terza potenza dell'energia del fotone (proporzionale a λ 3), che evidenzia il maggior potere di penetrazione della radiazione dura, e proporzionale alla terza potenza del numero atomico della sostanza assorbente:

La differenza significativa nell'assorbimento delle radiazioni dei raggi X da parte dei diversi tessuti consente di vedere le immagini degli organi interni del corpo umano in proiezione d'ombra.

La diagnostica a raggi X viene utilizzata in due versioni: fluoroscopia - l'immagine viene visualizzata su uno schermo luminescente per raggi X, radiografia - l'immagine viene registrata su pellicola fotografica.

Se l'organo esaminato e i tessuti circostanti attenuano le radiazioni dei raggi X in modo più o meno uguale, vengono utilizzati speciali agenti di contrasto. Ad esempio, dopo aver riempito lo stomaco e l'intestino con una massa simile a un porridge di solfato di bario, puoi vedere la loro immagine ombra.

La luminosità dell'immagine sullo schermo e il tempo di esposizione sulla pellicola dipendono dall'intensità della radiazione dei raggi X. Se viene utilizzato per la diagnostica, l'intensità non può essere elevata per non causare conseguenze biologiche indesiderabili. Pertanto, esistono numerosi dispositivi tecnici che migliorano le immagini a basse intensità di raggi X. Un esempio di tale dispositivo sono i convertitori elettro-ottici (vedi 27.8). Durante l'esame di massa della popolazione, viene ampiamente utilizzata una variante della radiografia: la fluorografia, in cui un'immagine proveniente da un grande schermo luminescente a raggi X viene registrata su una pellicola sensibile di piccolo formato. Durante le riprese, viene utilizzato un obiettivo ad alta apertura e le immagini finite vengono esaminate utilizzando una lente d'ingrandimento speciale.

Un'opzione interessante e promettente per la radiografia è un metodo chiamato Tomografia a raggi X, e la sua “versione macchina” - TAC.

Consideriamo questa domanda.

Una tipica radiografia copre un’ampia area del corpo, con diversi organi e tessuti che si oscurano a vicenda. Ciò può essere evitato se si avvicina periodicamente il tubo a raggi X (Fig. 31.11) in antifase RT e pellicola fotografica FP rispetto all'oggetto Di ricerca. Il corpo contiene una serie di inclusioni opache ai raggi X; sono mostrate come cerchi nella figura. Come si può vedere, i raggi X in qualsiasi posizione del tubo radiogeno (1, 2 ecc.) passare

tagliando lo stesso punto dell'oggetto, che è il centro rispetto al quale avviene il movimento periodico RT E Fp. Questo punto, o meglio una piccola inclusione opaca, è indicata con un cerchio scuro. La sua immagine ombra si muove con FP, occupando posizioni sequenziali 1, 2 eccetera. Vengono create le restanti inclusioni del corpo (ossa, compattazioni, ecc.). FP alcune informazioni generali, poiché i raggi X non ne sono costantemente oscurati. Modificando la posizione del centro di oscillazione, è possibile ottenere un'immagine a raggi X del corpo strato per strato. Da qui il nome - tomografia(registrazione a più livelli).

È possibile, utilizzando un sottile fascio di radiazioni a raggi X, uno schermo (invece di Fp), costituito da rilevatori a semiconduttore di radiazioni ionizzanti (vedi 32.5) e un computer, elaborano l'immagine a raggi X dell'ombra durante la tomografia. Questa moderna versione della tomografia (tomografia computazionale o computerizzata a raggi X) consente di ottenere immagini del corpo strato per strato su uno schermo a tubo a raggi catodici o su carta con dettagli inferiori a 2 mm con una differenza nell'assorbimento dei raggi X fino allo 0,1%. Ciò consente, ad esempio, di distinguere tra la materia grigia e quella bianca del cervello e di vedere formazioni tumorali molto piccole.

Nel 1895, il fisico tedesco W. Roentgen scoprì un nuovo tipo di radiazione elettromagnetica precedentemente sconosciuta, che fu chiamata raggi X in onore del suo scopritore. V. Roentgen divenne l'autore della sua scoperta all'età di 50 anni, ricoprendo la carica di rettore dell'Università di Würzburg e avendo la reputazione di uno dei migliori sperimentatori del suo tempo. Uno dei primi a trovare un'applicazione tecnica per la scoperta dei raggi X fu l'americano Edison. Creò un comodo apparato dimostrativo e già nel maggio 1896 organizzò una mostra di raggi X a New York, dove i visitatori potevano esaminare la propria mano su uno schermo luminoso. Dopo che l'assistente di Edison morì a causa delle gravi ustioni subite durante le continue dimostrazioni, l'inventore interruppe ulteriori esperimenti con i raggi X.

La radiazione a raggi X iniziò ad essere utilizzata in medicina grazie alla sua grande capacità di penetrazione. Inizialmente, i raggi X venivano utilizzati per esaminare le fratture ossee e determinare la posizione di corpi estranei nel corpo umano. Attualmente esistono diversi metodi basati sulle radiazioni a raggi X. Ma questi metodi hanno i loro svantaggi: le radiazioni possono causare danni profondi alla pelle. Le ulcere che apparivano spesso si trasformavano in cancro. In molti casi è stato necessario amputare le dita o le mani. raggi X(sinonimo di transilluminazione) è uno dei principali metodi di esame radiografico, che consiste nell'ottenere un'immagine planare positiva dell'oggetto studiato su uno schermo traslucido (fluorescente). Durante la fluoroscopia, il soggetto viene posizionato tra uno schermo traslucido e un tubo a raggi X. Sui moderni schermi di trasmissione dei raggi X, l'immagine appare quando il tubo radiogeno viene acceso e scompare immediatamente dopo averlo spento. La fluoroscopia consente di studiare la funzione di un organo: la pulsazione del cuore, i movimenti respiratori delle costole, dei polmoni, del diaframma, della peristalsi del tratto digestivo, ecc. La fluoroscopia viene utilizzata nel trattamento delle malattie dello stomaco, del tratto gastrointestinale, del duodeno, delle malattie del fegato, della cistifellea e delle vie biliari. In questo caso la sonda medica e i manipolatori vengono inseriti senza danneggiare il tessuto e le azioni durante l'intervento sono controllate mediante fluoroscopia e visibili sul monitor.
Raggi X - Metodo diagnostico a raggi X con registrazione di un'immagine fissa su un materiale fotosensibile - speciale. pellicola fotografica (pellicola radiografica) o carta fotografica con successiva elaborazione fotografica; Con la radiografia digitale, l'immagine viene registrata nella memoria del computer. Viene eseguito su macchine diagnostiche a raggi X - fisse, installate in sale radiologiche appositamente attrezzate, oppure mobili e portatili - al capezzale del paziente o in sala operatoria. I raggi X mostrano gli elementi strutturali dei vari organi in modo molto più chiaro di uno schermo fluorescente. I raggi X vengono eseguiti per identificare e prevenire varie malattie; il suo scopo principale è aiutare i medici di varie specialità a fare una diagnosi correttamente e rapidamente. Un'immagine radiografica registra la condizione di un organo o tessuto solo al momento dello scatto. Tuttavia, una singola radiografia registra solo i cambiamenti anatomici in un determinato momento e fornisce un processo statico; attraverso una serie di radiografie effettuate a determinati intervalli è possibile studiare la dinamica del processo, cioè i cambiamenti funzionali. Tomografia. La parola tomografia può essere tradotta dal greco come "immagine fetta". Ciò significa che lo scopo della tomografia è ottenere un'immagine strato per strato della struttura interna dell'oggetto studiato. La tomografia computerizzata è caratterizzata da un'alta risoluzione, che consente di distinguere sottili cambiamenti nei tessuti molli. La TC consente di rilevare processi patologici che non possono essere rilevati con altri metodi. Inoltre, l'uso della TC consente di ridurre la dose di radiazioni X ricevute dai pazienti durante il processo diagnostico.
Fluorografia- un metodo diagnostico che permette di ottenere immagini di organi e tessuti è stato sviluppato alla fine del XX secolo, un anno dopo la scoperta dei raggi X. Nelle fotografie si vedono sclerosi, fibrosi, corpi estranei, neoplasie, infiammazioni di grado sviluppato, presenza di gas e infiltrazioni nelle cavità, ascessi, cisti e così via. Molto spesso, la fluorografia del torace viene eseguita per rilevare la tubercolosi, un tumore maligno nei polmoni o nel torace e altre patologie.
Terapia a raggi Xè un metodo moderno utilizzato per trattare alcune patologie articolari. Le principali aree di trattamento delle malattie ortopediche utilizzando questo metodo sono: Cronico. Processi infiammatori delle articolazioni (artrite, poliartrite); Degenerative (osteoartrosi, osteocondrosi, spondilosi deformante). Lo scopo della radioterapiaè l'inibizione dell'attività vitale delle cellule dei tessuti patologicamente alterati o la loro completa distruzione. Per le malattie non tumorali, la radioterapia ha lo scopo di sopprimere la reazione infiammatoria, sopprimere i processi proliferativi, ridurre la sensibilità al dolore e l'attività secretoria delle ghiandole. Va tenuto presente che le ghiandole sessuali, gli organi emopoietici, i leucociti e le cellule tumorali maligne sono i più sensibili ai raggi X. La dose di radiazioni è determinata individualmente in ciascun caso specifico.

Per la scoperta dei raggi X, Roentgen ricevette il primo Premio Nobel per la fisica nel 1901 e il Comitato Nobel sottolineò l'importanza pratica della sua scoperta.
Pertanto, i raggi X sono radiazioni elettromagnetiche invisibili con una lunghezza d'onda di 105 - 102 nm. I raggi X possono penetrare alcuni materiali opachi alla luce visibile. Vengono emessi durante la decelerazione degli elettroni veloci in una sostanza (spettro continuo) e durante le transizioni di elettroni dai gusci elettronici esterni di un atomo a quelli interni (spettro a linee). Le fonti di radiazione a raggi X sono: un tubo a raggi X, alcuni isotopi radioattivi, acceleratori e dispositivi di immagazzinamento di elettroni (radiazione di sincrotrone). Ricevitori: pellicole fotografiche, schermi fluorescenti, rilevatori di radiazioni nucleari. I raggi X vengono utilizzati nell'analisi della diffrazione dei raggi X, nella medicina, nel rilevamento di difetti, nell'analisi spettrale dei raggi X, ecc.

Nello studio e nell'utilizzo pratico dei fenomeni atomici, i raggi X svolgono uno dei ruoli più importanti. Grazie alle loro ricerche furono fatte molte scoperte e furono sviluppati metodi di analisi delle sostanze, utilizzati in svariati campi. Qui esamineremo un tipo di raggi X: i raggi X caratteristici.

Natura e proprietà dei raggi X

La radiazione a raggi X è un cambiamento ad alta frequenza dello stato del campo elettromagnetico, che si propaga nello spazio ad una velocità di circa 300.000 km/s, cioè delle onde elettromagnetiche. Sulla scala della gamma della radiazione elettromagnetica, i raggi X si trovano nella regione della lunghezza d'onda compresa tra circa 10 -8 e 5∙10 -12 metri, che è diversi ordini di grandezza più corta delle onde ottiche. Ciò corrisponde a frequenze da 3∙10 16 a 6∙10 19 Hz ed energie da 10 eV a 250 keV, o da 1,6∙10 -18 a 4∙10 -14 J. Va notato che i limiti degli intervalli di frequenza di le radiazioni elettromagnetiche sono abbastanza arbitrarie a causa della loro sovrapposizione.

È l'interazione di particelle cariche accelerate (elettroni ad alta energia) con campi elettrici e magnetici e con atomi di materia.

I fotoni dei raggi X sono caratterizzati da elevate energie ed elevati poteri penetranti e ionizzanti, soprattutto per i raggi X duri con lunghezze d'onda inferiori a 1 nanometro (10 -9 m).

I raggi X interagiscono con la materia, ionizzandone gli atomi, nei processi di effetto fotoelettrico (fotoassorbimento) e di diffusione incoerente (Compton). Nel fotoassorbimento, un fotone di raggi X, assorbito da un elettrone di un atomo, gli trasferisce energia. Se il suo valore supera l'energia di legame di un elettrone in un atomo, lascia l'atomo. La diffusione Compton è caratteristica dei fotoni dei raggi X più duri (energetici). Parte dell'energia del fotone assorbito viene spesa per la ionizzazione; in questo caso, ad un certo angolo rispetto alla direzione del fotone primario, ne viene emesso uno secondario, con frequenza inferiore.

Tipi di radiazioni a raggi X. Bremsstrahlung

Per produrre le travi vengono utilizzati cilindri a vuoto in vetro con elettrodi posti all'interno. La differenza di potenziale tra gli elettrodi deve essere molto elevata, fino a centinaia di kilovolt. L'emissione termoionica avviene sul catodo di tungsteno, riscaldato dalla corrente, cioè da esso vengono emessi elettroni che, accelerati dalla differenza di potenziale, bombardano l'anodo. Come risultato della loro interazione con gli atomi dell'anodo (a volte chiamato anticatodo), nascono fotoni di raggi X.

A seconda del processo che porta alla creazione di un fotone, si distinguono i tipi di radiazione a raggi X: bremsstrahlung e caratteristica.

Gli elettroni possono, quando incontrano l'anodo, essere rallentati, cioè perdere energia nei campi elettrici dei suoi atomi. Questa energia viene emessa sotto forma di fotoni di raggi X. Questo tipo di radiazione è chiamata bremsstrahlung.

È chiaro che le condizioni di frenatura differiranno per i singoli elettroni. Ciò significa che diverse quantità della loro energia cinetica vengono convertite in raggi X. Di conseguenza, bremsstrahlung include fotoni di diverse frequenze e, di conseguenza, lunghezze d'onda. Pertanto, il suo spettro è continuo (continuo). Talvolta per questo motivo vengono chiamate anche radiografie “bianche”.

L'energia di un fotone di bremsstrahlung non può superare l'energia cinetica dell'elettrone che lo genera, quindi la frequenza massima (e la lunghezza d'onda più corta) della radiazione di bremsstrahlung corrisponde al valore più alto dell'energia cinetica degli elettroni incidenti sull'anodo. Quest'ultimo dipende dalla differenza di potenziale applicata agli elettrodi.

Esiste un altro tipo di radiazione a raggi X, la cui fonte è un processo diverso. Questa radiazione è chiamata radiazione caratteristica e ci soffermeremo su di essa in modo più dettagliato.

Come si origina la caratteristica radiazione a raggi X?

Raggiunto l'anticatodo, un elettrone veloce può penetrare all'interno dell'atomo ed estrarre un elettrone da uno degli orbitali inferiori, cioè trasferirgli energia sufficiente per superare la barriera potenziale. Tuttavia, se nell’atomo ci sono livelli energetici più elevati occupati dagli elettroni, lo spazio lasciato libero non rimarrà vuoto.

Va ricordato che la struttura elettronica dell'atomo, come ogni sistema energetico, tende a minimizzare l'energia. Il posto vacante formato a seguito dell'eliminazione viene riempito con un elettrone proveniente da uno dei livelli più alti. La sua energia è più alta e, occupando un livello più basso, emette l'eccesso sotto forma di un quanto di radiazione X caratteristica.

La struttura elettronica di un atomo è un insieme discreto di possibili stati energetici degli elettroni. Pertanto, anche i fotoni dei raggi X emessi durante la sostituzione dei posti vacanti elettronici possono avere solo valori energetici strettamente definiti, che riflettono la differenza di livelli. Di conseguenza, la caratteristica radiazione a raggi X ha uno spettro che non è continuo, ma a forma di linea. Questo spettro permette di caratterizzare la sostanza dell'anodo, da qui il nome di questi raggi. È grazie alle differenze spettrali che è chiaro cosa si intende per bremsstrahlung e radiazione caratteristica dei raggi X.

A volte l'energia in eccesso non viene emessa dall'atomo, ma viene spesa per eliminare il terzo elettrone. Questo processo, il cosiddetto effetto Auger, è più probabile che si verifichi quando l'energia di legame degli elettroni non supera 1 keV. L'energia dell'elettrone Auger rilasciato dipende dalla struttura dei livelli energetici dell'atomo, quindi anche gli spettri di tali elettroni sono di natura discreta.

Vista generale dello spettro caratteristico

Nell'immagine spettrale dei raggi X sono presenti strette linee caratteristiche insieme ad uno spettro di bremsstrahlung continuo. Se immaginiamo lo spettro come un grafico dell'intensità in funzione della lunghezza d'onda (frequenza), vedremo picchi netti nelle posizioni delle linee. La loro posizione dipende dal materiale dell'anodo. Questi massimi sono presenti a qualsiasi differenza di potenziale: se ci sono raggi X, ci sono sempre anche dei picchi. All'aumentare della tensione sugli elettrodi del tubo, aumenta l'intensità della radiazione a raggi X sia continua che caratteristica, ma la posizione dei picchi e il rapporto tra le loro intensità non cambiano.

I picchi negli spettri dei raggi X hanno lo stesso aspetto indipendentemente dal materiale dell'anticatodo irradiato dagli elettroni, ma per materiali diversi si trovano a frequenze diverse, unendosi in serie in base alla vicinanza dei valori di frequenza. Tra le serie stesse, la differenza nelle frequenze è molto più significativa. Il tipo di massimi non dipende in alcun modo dal fatto che il materiale dell'anodo sia un elemento chimico puro o una sostanza complessa. In quest'ultimo caso, gli spettri di raggi X caratteristici dei suoi elementi costitutivi sono semplicemente sovrapposti l'uno all'altro.

Quando il numero atomico di un elemento chimico aumenta, tutte le linee del suo spettro di raggi X si spostano verso frequenze più alte. Lo spettro mantiene il suo aspetto.

Legge di Moseley

Il fenomeno dello spostamento spettrale delle linee caratteristiche fu scoperto sperimentalmente dal fisico inglese Henry Moseley nel 1913. Ciò gli ha permesso di collegare le frequenze dello spettro massimo con i numeri seriali degli elementi chimici. Pertanto, la lunghezza d'onda della caratteristica radiazione a raggi X, come si è scoperto, può essere chiaramente correlata a un elemento specifico. In generale, la legge di Moseley può essere scritta come segue: √f = (Z - S n)/n√R, dove f è la frequenza, Z è il numero seriale dell'elemento, S n è la costante di schermatura, n è la numero quantico principale e R è la costante Rydberg. Questa dipendenza è lineare e sul diagramma di Moseley appare come una serie di linee rette per ogni valore di n.

I valori n corrispondono a singole serie di picchi caratteristici di emissione di raggi X. La legge di Moseley consente di determinare il numero di serie di un elemento chimico irradiato da elettroni duri in base alle lunghezze d'onda misurate (sono legate univocamente alle frequenze) dei massimi dello spettro dei raggi X.

La struttura dei gusci elettronici degli elementi chimici è identica. Ciò è indicato dalla monotonia del cambiamento di spostamento nello spettro caratteristico della radiazione a raggi X. Lo spostamento di frequenza riflette differenze non strutturali, ma energetiche tra i gusci elettronici, uniche per ciascun elemento.

Il ruolo della legge di Moseley nella fisica atomica

Ci sono lievi deviazioni dalla stretta relazione lineare espressa dalla legge di Moseley. Sono associati, in primo luogo, alle peculiarità dell'ordine di riempimento dei gusci elettronici di alcuni elementi e, in secondo luogo, agli effetti relativistici del movimento degli elettroni di atomi pesanti. Inoltre, quando cambia il numero di neutroni nel nucleo (il cosiddetto spostamento isotopico), la posizione delle linee può cambiare leggermente. Questo effetto ha permesso di studiare in dettaglio la struttura atomica.

Il significato della legge di Moseley è estremamente grande. La sua applicazione coerente agli elementi del sistema periodico di Mendeleev stabilì un modello di aumento del numero ordinale corrispondente a ogni piccolo spostamento nei massimi caratteristici. Ciò ha contribuito a chiarire la questione del significato fisico del numero ordinale degli elementi. Il valore Z non è solo un numero: è la carica elettrica positiva del nucleo, ovvero la somma delle cariche positive unitarie delle particelle che ne compongono la composizione. Il corretto posizionamento degli elementi nella tabella e la presenza di posizioni vuote in essa (esistevano ancora allora) hanno ricevuto una potente conferma. La validità della legge periodica è stata dimostrata.

La legge di Moseley, inoltre, divenne la base su cui sorse un'intera direzione della ricerca sperimentale: la spettrometria a raggi X.

La struttura dei gusci elettronici di un atomo

Ricordiamo brevemente come è strutturata la struttura dell'elettrone: essa è costituita da gusci designati dalle lettere K, L, M, N, O, P, Q o dai numeri da 1 a 7. Gli elettroni all'interno del guscio sono caratterizzati dallo stesso quanto principale numero n, che determina i possibili valori energetici. Nei gusci esterni l’energia degli elettroni è maggiore e il potenziale di ionizzazione per gli elettroni esterni è corrispondentemente inferiore.

La shell comprende uno o più sottolivelli: s, p, d, f, g, h, i. In ogni guscio il numero di sottolivelli aumenta di uno rispetto a quello precedente. Il numero di elettroni in ogni sottolivello e in ogni livello non può superare un certo valore. Sono caratterizzati, oltre che dal numero quantico principale, dallo stesso valore della nuvola elettronica orbitale che ne determina la forma. I sottolivelli sono designati dalla shell a cui appartengono, ad esempio 2s, 4d e così via.

Il sottolivello contiene quelli specificati, oltre a quelli principali e orbitali, da un altro numero quantico: magnetico, che determina la proiezione del momento orbitale dell'elettrone sulla direzione del campo magnetico. Un orbitale non può avere più di due elettroni, che differiscono nel valore del quarto numero quantico: lo spin.

Consideriamo più in dettaglio come si presenta la caratteristica radiazione a raggi X. Poiché l'origine di questo tipo di emissione elettromagnetica è associata a fenomeni che avvengono all'interno dell'atomo, è più conveniente descriverla precisamente nell'approssimazione delle configurazioni elettroniche.

Meccanismo per generare la caratteristica radiazione a raggi X

Quindi, la causa di questa radiazione è la formazione di posti vacanti di elettroni nei gusci interni, causata dalla penetrazione di elettroni ad alta energia in profondità nell'atomo. La probabilità che un elettrone duro interagisca aumenta con la densità delle nubi elettroniche. Pertanto, è più probabile che le collisioni avvengano all'interno di gusci interni strettamente imballati, come il guscio K più basso. Qui l'atomo viene ionizzato e si forma un posto vacante nel guscio 1s.

Questo posto vacante è riempito da un elettrone proveniente dal guscio con energia più elevata, il cui eccesso viene portato via dal fotone dei raggi X. Questo elettrone può “cadere” dal secondo guscio L, dal terzo guscio M, e così via. In questo modo si forma una serie caratteristica, in questo esempio la serie K. Un'indicazione della provenienza dell'elettrone che riempie il posto vacante è data sotto forma di indice greco nella designazione della serie. "Alpha" significa che proviene dalla shell L, "beta" significa che proviene dalla shell M. Attualmente si tende a sostituire gli indici delle lettere greche con quelli latini adottati per designare le conchiglie.

L'intensità della linea alfa nella serie è sempre la più alta, ciò significa che la probabilità di riempire un posto vacante da un guscio vicino è la più alta.

Ora possiamo rispondere alla domanda: qual è l'energia massima di un quanto di radiazione X caratteristica? È determinata dalla differenza dei valori energetici dei livelli tra i quali avviene la transizione elettronica, secondo la formula E = E n 2 - E n 1, dove E n 2 ed E n 1 sono le energie dell'elettronica Stati tra i quali è avvenuta la transizione. Il valore più alto di questo parametro è dato dalle transizioni della serie K dai livelli più alti di atomi di elementi pesanti. Ma l'intensità di queste linee (l'altezza dei picchi) è la più bassa, poiché sono le meno probabili.

Se, a causa della tensione insufficiente sugli elettrodi, un elettrone duro non può raggiungere il livello K, forma un posto vacante al livello L e si forma una serie L meno energetica con lunghezze d'onda più lunghe. Le serie successive nascono in modo simile.

Inoltre, quando un posto vacante viene coperto a seguito di una transizione elettronica, un nuovo posto vacante appare nel guscio sovrastante. Ciò crea le condizioni per generare la serie successiva. Le vacanze elettroniche si spostano più in alto da un livello all'altro e l'atomo emette una cascata di serie spettrali caratteristiche pur rimanendo ionizzato.

Struttura fine degli spettri caratteristici

Gli spettri atomici dei raggi X caratteristici della radiazione X sono caratterizzati da una struttura fine che, come negli spettri ottici, è espressa nella divisione della linea.

La struttura fine è dovuta al fatto che il livello energetico - il guscio elettronico - è un insieme di componenti strettamente posizionati - i sottogusci. Per caratterizzare i sottolivelli, viene introdotto un altro numero quantico interno j, che riflette l’interazione tra il momento magnetico proprio e quello orbitale dell’elettrone.

A causa dell'influenza dell'interazione spin-orbita, la struttura energetica dell'atomo diventa più complessa e, di conseguenza, la caratteristica radiazione a raggi X ha uno spettro caratterizzato da linee divise con elementi molto ravvicinati.

Gli elementi di struttura fine sono solitamente designati da indici digitali aggiuntivi.

La radiazione caratteristica dei raggi X ha una caratteristica riflessa solo nella struttura fine dello spettro. La transizione di un elettrone ad un livello energetico inferiore non avviene dal sottolivello inferiore del livello superiore. Un evento del genere ha una probabilità trascurabile.

Utilizzo dei raggi X in spettrometria

Questa radiazione, per le sue caratteristiche descritte dalla legge di Moseley, è alla base di vari metodi spettrali a raggi X per l’analisi delle sostanze. Quando si analizza lo spettro dei raggi X, vengono utilizzati la diffrazione della radiazione sui cristalli (metodo di dispersione delle onde) o rilevatori sensibili all'energia dei fotoni dei raggi X assorbiti (metodo di dispersione dell'energia). La maggior parte dei microscopi elettronici sono dotati di qualche tipo di accessorio per la spettrometria a raggi X.

La spettrometria a dispersione d'onda è particolarmente accurata. Utilizzando appositi filtri vengono evidenziati i picchi più intensi dello spettro, consentendo di ottenere una radiazione quasi monocromatica con una frequenza nota con precisione. Il materiale dell'anodo viene selezionato con molta attenzione per garantire l'ottenimento di un fascio monocromatico della frequenza desiderata. La sua diffrazione sul reticolo cristallino della sostanza in studio consente di studiare la struttura reticolare con grande accuratezza. Questo metodo viene utilizzato anche nello studio del DNA e di altre molecole complesse.

Una delle caratteristiche della radiazione X caratteristica viene presa in considerazione anche nella spettrometria gamma. Questo è un picco caratteristico ad alta intensità. Gli spettrometri gamma utilizzano una schermatura in piombo contro la radiazione di fondo esterna che interferisce con le misurazioni. Ma il piombo, assorbendo i raggi gamma, sperimenta la ionizzazione interna, a seguito della quale emette attivamente nella gamma dei raggi X. Per assorbire gli intensi picchi della caratteristica radiazione a raggi X del piombo, viene utilizzata un'ulteriore schermatura di cadmio. A sua volta è ionizzato ed emette anche raggi X. Per neutralizzare i picchi caratteristici del cadmio, viene utilizzato un terzo strato schermante: rame, i cui massimi di raggi X si trovano al di fuori della gamma di frequenze operative dello spettrometro gamma.

La spettrometria utilizza sia i raggi X bremsstrahlung che quelli caratteristici. Pertanto, quando si analizzano le sostanze, vengono studiati gli spettri di assorbimento dei raggi X continui da parte di varie sostanze.