Рентгеновское излучение возникает в результате. Рентгеновские лучи

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.

Современную медицинскую диагностику и лечение некоторых заболеваний невозможно представить без приборов, использующих свойства рентгеновского излучения. Открытие рентгеновских лучей произошло более 100 лет назад, но и сейчас не прекращаются работы над созданием новых методик и аппаратов, позволяющих минимизировать негативное действие излучения на организм человека.

Кто и как открыл Х-лучи

В естественных условиях поток лучей рентгена встречается редко и излучается только некоторыми радиоактивными изотопами. Рентгеновское излучение или Х-лучи были обнаружены только в 1895 году немецким учёным Wilhelm Röntgen. Это открытие произошло случайно, во время проведения опыта по исследованию поведения лучей света в условиях, приближающихся к вакууму. В эксперименте были задействованы катодная газоразрядная трубка с пониженным давлением и флуоресцентный экран, который всякий раз начинал светиться в момент когда трубка начинала действовать.

Заинтересовавшись странным эффектом, Рентген провёл серию исследований, показывающих что возникающее не видимое глазу излучение способно проникать сквозь различные преграды: бумагу, дерево, стекло, некоторые металлы, и даже через человеческое тело. Несмотря на отсутствие понимания самой природы происходящего, вызвано ли такое явление генерацией потока неизвестных частиц или волнами, была отмечена следующая закономерность – излучение легко проходит через мягкие ткани организма, и гораздо тяжелее сквозь твёрдые живые ткани и неживые вещества.

Рентген был не первым кто изучал подобное явление. В середине XIX столетия, схожие возможности изучал француз Антуан Масон и англичанин Уильям Крукс. Тем не менее, именно Рентген первым изобрёл катодную трубку и индикатор, который можно было применить в медицине. Он первым опубликовал научный труд, принёсший ему звание первого нобелевского лауреата среди физиков.

В 1901 году началось плодотворное сотрудничество трёх учёных, ставших отцами-основателями радиологии и рентгенологии.

Свойства рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи – это составная часть общего спектра электромагнитного излучения. Длина волны расположена между гамма- и ультрафиолетовым лучами. Для Х-лучей характерны все обычные волновые свойства:

• дифракция;
• преломление;
• интерференция;
• скорость распространения (она равна световой).

Для искусственного генерирования потока рентгеновских лучей применяют специальные приборы – рентгеновские трубки. Рентген-излучение возникает из-за контакта быстрых электронов вольфрама с веществами, испаряющимися из раскалённого анода. На фоне взаимодействия возникают электромагнитные волны малой длины, находящиеся в спектре от 100 до 0,01 нм и в энергетическом диапазоне 100-0,1 МэВ. Если длина волны лучей меньше чем 0,2 нм – это жёсткое излучение, если длина волны больше указанной величины, их называют мягкими рентгеновскими лучами.

Показательно то, что кинетическая энергия, возникающая от соприкосновения электронов и анодного вещества, на 99% превращается в энергию тепла и только 1% является Х-лучами.

Рентгеновское излучение – тормозное и характеристическое

Х-излучение представляет собой наложение двух видов лучей – тормозных и характеристических. Они генерируются в трубке одновременно. Поэтому облучение рентгеном и характеристика каждой конкретной рентгеновской трубки – спектр её излучения, зависит от этих показателей, и представляет собой их наложение.

Тормозные или непрерывные рентгеновские лучи – это результат торможения электронов, испаряемых из вольфрамовой спирали.

Характеристические или линейчатые лучи рентгена образуются в момент перестройки атомов вещества анода рентгеновской трубки. Длина волны характеристических лучей непосредственно зависит от атомного номера химического элемента, применяемого для изготовления анода трубки.

Перечисленные свойства рентгеновских лучей позволяют применять их на практике:

• невидимость для обычного взгляда;
• высокая проникающая способность сквозь живые ткани и неживые материалы, которые не пропускают лучи видимого спектра;
• ионизационное воздействие на молекулярные структуры.

Принципы получения рентген-изображения

Свойства рентгеновских лучей, на которых основано получение изображения – это способность либо разлагать, либо вызвать свечение некоторых веществ.

Рентген облучение вызывает флуоресцентное свечение у сульфидов кадмия и цинка – зелёным, а у вольфрамата кальция – голубым цветом. Это свойство используется в методике медицинского рентгенологического просвечивания, а также повышает функциональность рентгенологических экранов.

Фотохимическое воздействие рентгеновских лучей на светочувствительные галогенсеребряные материалы (засвечивание) позволяет осуществлять диагностику – делать рентгенологические снимки. Это свойство также используется при измерении величины суммарной дозы, которую получают лаборанты в рентген-кабинетах. В нательных дозиметрах вставлены специальные чувствительные ленты и индикаторы. Ионизирующее действие рентгеновского излучения позволяет определять и качественную характеристику полученных рентген-лучей.

Однократное облучение при выполнении обычной рентгенографии повышает риск возникновения рака всего лишь на 0,001%.

Области, где применяют рентгеновское излучение

Применение рентгеновских лучей допустимо в следующих отраслях:

1. Безопасность. Стационарные и переносные приборы для обнаружения опасных и запрещённых предметов в аэропортах, таможнях или в местах большого скопления людей.
2. Химическая промышленность, металлургия, археология, архитектура, строительство, реставрационные работы – для обнаружения дефектов и проведения химического анализа веществ.
3. Астрономия. Помогает проводить наблюдение за космическими телами и явлениями при помощи рентгеновских телескопов.
4. Военная отрасль. Для разработки лазерного оружия.

Главное применение рентгеновского излучения- медицинская сфера. Сегодня в раздел медицинской радиологии входят: радиодиагностика, радиотерапия (рентгенотерапия), радиохирургия. Медицинские вузы выпускают узкопрофильных специалистов – врачей-радиологов.

Х-Излучение - вред и польза, влияние на организм

Высокая проникающая способность и ионизирующее воздействие рентгеновских лучей может вызвать изменение структуры ДНК клетки, поэтому представляет опасность для человека. Вред от рентгеновского излучения прямо пропорционален полученной дозе облучения. Разные органы реагируют на облучение в различной степени. К самым восприимчивым относят:

• костный мозг и костная ткань;
• хрусталик глаза;
• щитовидная железа;
• молочные и половые железы;
• ткани лёгких.

Бесконтрольное использование рентгеновского облучения может стать причиной обратимых и необратимых патологий.

Последствия рентгеновского облучения:

• поражение костного мозга и возникновение патологий кроветворной системы – эритроцитопении, тромбоцитопении, лейкемии;
• повреждение хрусталика, с последующим развитием катаракты;
• клеточные мутации, передающиеся по наследству;
• развитие онкологических заболеваний;
• получение лучевых ожогов;
• развитие лучевой болезни.

Важно! В отличие от радиоактивных веществ, рентгеновские лучи не накапливаются в тканях тела, а это значит, что и выводить рентгеновские лучи из организма не нужно. Вредное действие рентгеновского излучения заканчивается вместе с выключением медицинского прибора.

Применение рентгеновского излучения в медицине допустимо не только в диагностических (травматология, стоматология), но и в терапевтических целях:

• от рентгена в малых дозах стимулируется обмен веществ в живых клетках и тканях;
• определённые граничные дозы используются для лечения онкологических и доброкачественных новообразований.

Способы диагностики патологий с помощью Х-лучей

Радиодиагностика включает следующие методики:

1. Рентгеноскопия – исследование, в ходе которого получают изображение на флуоресцентном экране в режиме реального времени. Наряду с классическим получением изображения части тела в реальном времени, сегодня существуют технологии рентгенотелевизионного просвечивания – изображение переносится с флуоресцентного экрана на телевизионный монитор, находящийся в другом помещении. Разработано несколько цифровых способов обработки полученного изображения, с последующим переносом его с экрана на бумагу.
2. Флюорография – самый дешёвый метод исследования органов грудной клетки, заключающий в изготовлении уменьшенного снимка 7х7 см. Несмотря на вероятность погрешности, является единственным способом массового ежегодного обследования населения. Метод не представляет опасности и не требует вывода полученной дозы облучения из организма.
3. Рентгенография – получение суммарного изображения на плёнку или бумагу для уточнения формы органа, его положения или тонуса. Может использоваться для оценки перистальтики и состояния слизистых оболочек. Если существует возможность выбора, то среди современных рентгенографических приборов предпочтение следует отдавать ни цифровым аппаратам, где поток х-лучей может быть выше чем у старых приборов, а малодозовым – рентген-аппараты с прямыми плоскими полупроводниковыми детекторами. Они позволяют снизить нагрузку на организм в 4 раза.
4. Компьютерная рентгеновская томография – методика, использующая рентгеновские лучи для получения нужного количества снимков срезов выбранного органа. Среди множества разновидностей современных аппаратов КТ, для серии повторных исследований используют низкодозные компьютерные томографы высокого разрешения.

Радиотерапия

Терапия при помощи рентгеновских лучей относится к методам местного лечения. Чаще всего метод используется для уничтожения клеток раковых опухолей. Поскольку эффект воздействия сопоставим с хирургическим удалением, то этот метод лечения часто называют радиохирургией.

Сегодня лечение х-лучами проводится такими способами:

1. Наружный (протонная терапия) – пучок излучения попадает на тело пациента извне.
2. Внутренний (брахиотерапия) – использование радиоактивных капсул путём их имплантации в тело, с помещением ближе к раковой опухоли. Недостаток этого метода лечения состоит в том, что пока капсулу не извлекут из организма, больной нуждается в изоляции.

Эти методы являются щадящими, а их применение предпочтительнее химиотерапии в ряде случаев. Такая популярность связана с тем, что лучи не скапливаются и не требуют выведения из организма, они оказывают выборочное действие, не воздействуя на другие клетки и ткани.

Безопасная норма облучения Х-лучами

У этого показателя нормы допустимого годового облучения есть своё название – генетически значимая эквивалентная доза (ГЗД). Чётких количественных значений у этого показателя нет.

1. Этот показатель зависит от возраста и желания пациентом в дальнейшем иметь детей.
2. Зависит от того какие именно органы были подвергнуты исследованию или лечению.
3. На ГЗД влияет уровень естественного радиоактивного фона региона проживания человека.

Сегодня действую следующие усреднённые нормативы ГЗД:

• уровень облучения от всех источников, за исключением медицинских, и без учёта природного фона радиации – 167 мБэр в год;
• норма для ежегодного медицинского обследования – не выше 100 мБэр в год;
• суммарная безопасная величина – 392 мБэр в год.

Рентгеновское излучение не требует выведения из организма, и является опасным только в случае интенсивного и длительного воздействия. Современная медицинская аппаратура использует низкоэнергетическое облучение малой длительности, поэтому её применение считается относительно безвредным.

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром

Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 11), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры.

Рис. 11.

Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

При бомбардировке электронами вольфрамовой антикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечное сечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 - электронный пучок; 2 - катод с фокусирующим электродом; 3 - стеклянная оболочка (трубка); 4 - вольфрамовая мишень (антикатод); 5 - нить накала катода; 6 - реально облучаемая площадь; 7 - эффективное фокальное пятно; 8 - медный анод; 9 - окно; 10 - рассеянное рентгеновское излучение.

Электроны фокусируются на аноде с помощью электрода особой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместе с катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электронной бомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, поскольку бульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается в тепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомным номером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомного номера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомный номер которого равен 74. Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

Рентгеновское излучение, с точки зрения физики, это электромагнитное излучение, длина волн которого варьируется в диапазоне от 0,001 до 50 нанометров. Было открыто в 1895 немецким физиком В.К.Рентгеном.

По природе эти лучи являются родственными солнечному ультрафиолету. В спектре самыми длинными являются радиоволны. За ними идет инфракрасный свет, который наши глаза не воспринимают, но мы ощущаем его как тепло. Далее идут лучи от красного до фиолетового. Затем - ультрафиолет (А, В и С). А сразу за ним рентгеновские лучи и гамма-излучение.

Рентгеновское может быть получено двумя способами: при торможении в веществе проходящих сквозь него заряженных частиц и при переходе электронов с высших слоев на внутренние при высвобождении энергии.

В отличие от видимого света эти лучи имеют очень большую длину, поэтому способны проникать через непрозрачные материалы, не отражаясь, не преломляясь и не накапливаясь в них.

Тормозное излучение получить проще. Заряженные частицы при торможении испускают электромагнитное излучение. Чем больше ускорение этих частиц и, следовательно, резче торможение, тем больше образуется рентгеновского излучения, а длина его волн становится меньше. В большинстве случаев на практике прибегают к выработке лучей в процессе торможения электронов в твердых веществах. Это позволяет управлять источником этого излучения, избегая опасности радиационного облучения, потому что при отключении источника рентгеновское излучение полностью исчезает.

Самый распространенный источник такого излучения - Испускаемое ей излучение неоднородно. В нем присутствует и мягкое (длинноволновое), и жесткое (коротковолновое) излучения. Мягкое характеризуется тем, что полностью поглощается человеческим телом, поэтому такое рентгеновское излучение вред приносит в два раза больше, чем жесткое. При чрезмерном электромагнитном облучении в тканях организма человека ионизация может привести к повреждению клеток и ДНК.

Трубка - это с двумя электродами - отрицательным катодом и положительным анодом. При разогревании катода из него испаряются электроны, затем они ускоряются в электрическом поле. Сталкиваясь с твердым веществом анодов, они начинают торможение, которое сопровождается испусканием электромагнитного излучения.

Рентгеновское излучение, свойства которого широко используются в медицине, базируется на получении теневого изображения исследуемого объекта на чувствительном экране. Если диагностируемый орган просвечивать пучком параллельных друг другу лучей, то проекция теней от этого органа будет передаваться без искажений (пропорционально). На практике источник излучения более похож на точечный, поэтому его располагают на расстоянии от человека и от экрана.

Чтобы получить человек помещается между рентгеновской трубкой и экраном или пленкой, выступающими в роли приемников излучения. В результате облучения на снимке костная и другие плотные ткани проявляются в виде явных теней, выглядят более контрастно на фоне менее выразительных участков, которые передают ткани с меньшим поглощением. На рентгеновских снимках человек становится «полупрозрачным».

Распространяясь, рентгеновское излучение может рассеиваться и поглощаться. До поглощения лучи могут проходить сотни метров в воздухе. В плотном веществе они поглощаются гораздо быстрее. Биологические ткани человека неоднородны, поэтому поглощение ими лучей зависит от плотности ткани органов. поглощает лучи быстрее, чем мягкие ткани, потому что содержит вещества, имеющие большие атомные номера. Фотоны (отдельные частицы лучей) поглощаются разными тканями организма человека по-разному, что и позволяет получать контрастное изображение с помощью рентгеновских лучей.

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.