Šta su rendgenski zraci - svojstva i primjena zračenja. Predavanje Rendgen Suština X zraka

X-zrake je slučajno otkrio poznati njemački fizičar Wilhelm Roentgen 1895. godine. Proučavao je katodne zrake u cijevi s plinskim pražnjenjem niskog pritiska na visokom naponu između njenih elektroda. Uprkos činjenici da je cijev bila u crnoj kutiji, Rentgen je primijetio da fluorescentni ekran, koji se slučajno nalazio u blizini, svijetli svaki put kada je cijev bila u upotrebi. Ispostavilo se da je cijev izvor zračenja koji može prodrijeti u papir, drvo, staklo, pa čak i u aluminijsku ploču debljine jedan i pol.

Rendgen je utvrdio da je cijev za pražnjenje u plinu izvor nove vrste nevidljivog zračenja velike prodorne moći. Naučnik nije mogao da utvrdi da li je ovo zračenje mlaz čestica ili talasa, pa je odlučio da mu da ime X-zrake. Kasnije su nazvani X-zraci

Sada je poznato da su rendgenski zraci vrsta elektromagnetno zračenje, koji imaju kraću talasnu dužinu od ultraljubičastih elektromagnetnih talasa. Talasna dužina X zraka kreće se od 70 nm do 10 -5 nm. Što je kraća talasna dužina rendgenskih zraka, veća je energija njihovih fotona i veća je njihova moć prodiranja. X-zrake sa relativno velikom talasnom dužinom (više od 10 nm), su pozvani soft. Talasna dužina 1 - 10 nm karakteriše teško X-zrake. Imaju ogromnu prodornu moć.

Primanje rendgenskih zraka

X-zrake nastaju kada se brzi elektroni, ili katodni zraci, sudare sa zidovima ili anodom cijevi s plinskim pražnjenjem niskog tlaka. Moderna rendgenska cijev je evakuirani stakleni cilindar sa katodom i anodom smještenim u njemu. Razlika potencijala između katode i anode (anti-katode) doseže nekoliko stotina kilovolti. Katoda je volframova nit koja se zagrijava električnom strujom. Ovo uzrokuje da katoda emituje elektrone kao rezultat termoionske emisije. Elektroni se ubrzavaju električnim poljem u rendgenskoj cijevi. Budući da je u cijevi vrlo mali broj molekula plina, elektroni praktički ne gube energiju na putu do anode. Oni dostižu anodu veoma velikom brzinom.

X-zrake se proizvode kad god elektrone koji se kreću velikom brzinom usporava materijal anode. Većina energije elektrona se rasipa kao toplota. Stoga se anoda mora umjetno hladiti. Anoda u rendgenskoj cijevi mora biti napravljena od metala koji ima visoku tačku topljenja, kao što je volfram.

Dio energije koji se ne raspršuje u obliku topline pretvara se u energiju elektromagnetnih valova (X-zraka). Dakle, rendgenske zrake su rezultat bombardiranja anodne tvari elektronima. Postoje dvije vrste rendgensko zračenje: inhibitorni i karakterističan.

Rendgenski zraci kočnog zračenja

Rendgensko zračenje kočnog zračenja nastaje kada se elektroni koji se kreću velikom brzinom usporavaju električnim poljima atoma anode. Uslovi za zaustavljanje pojedinačnih elektrona nisu isti. Kao rezultat, različiti dijelovi njihove kinetičke energije se pretvaraju u energiju rendgenskih zraka.

Spektar kočnog rendgenskog zračenja ne zavisi od prirode anodne supstance. Kao što je poznato, energija rendgenskih fotona određuje njihovu frekvenciju i valnu dužinu. Stoga, kočni rendgenski zrak nije jednobojan. Odlikuje se različitim talasnim dužinama koje se mogu predstaviti kontinuirani (kontinuirani) spektar.

X-zrake ne mogu imati energiju veću od kinetičke energije elektrona koji ih formiraju. Najkraća talasna dužina rendgenskog zračenja odgovara maksimalnoj kinetičkoj energiji usporavajućih elektrona. Što je veća razlika potencijala u rendgenskoj cijevi, to se može dobiti kraće valne dužine rendgenskog zračenja.

Karakteristično rendgensko zračenje

Karakteristično rendgensko zračenje nije kontinuirano, ali linijski spektar. Ova vrsta zračenja nastaje kada brzi elektron, došavši do anode, prodre u unutrašnje orbitale atoma i izbije jedan od njihovih elektrona. Kao rezultat, pojavljuje se slobodan prostor koji može biti popunjen drugim elektronom koji silazi s jedne od gornjih atomskih orbitala. Ovaj prijelaz elektrona sa višeg na niži energetski nivo proizvodi rendgenske zrake specifične diskretne valne dužine. Dakle, karakteristično rendgensko zračenje ima linijski spektar. Frekvencija karakterističnih linija zračenja u potpunosti zavisi od strukture elektronskih orbitala atoma anode.

Spektralne linije karakterističnog zračenja različitih hemijski elementi imaju isti izgled, jer je struktura njihovih unutrašnjih elektronskih orbitala identična. Ali njihova talasna dužina i frekvencija su posledica energetskih razlika između unutrašnjih orbitala teških i lakih atoma.

Frekvencija linija u spektru karakterističnog rendgenskog zračenja mijenja se u skladu s atomskim brojem metala i određena je Moseleyjevom jednačinom: v 1/2 = A(Z-B), Gdje Z- atomski broj hemijskog elementa, A I B- konstante.

Primarni fizički mehanizmi interakcije rendgenskog zračenja sa materijom

Primarnu interakciju između rendgenskih zraka i materije karakteriziraju tri mehanizma:

1. Koherentno rasipanje. Ovaj oblik interakcije nastaje kada rendgenski fotoni imaju manju energiju od energije vezivanja elektrona za atomsko jezgro. U ovom slučaju energija fotona nije dovoljna za oslobađanje elektrona iz atoma tvari. Foton ne apsorbira atom, već mijenja smjer širenja. U ovom slučaju, talasna dužina rendgenskog zračenja ostaje nepromenjena.

2. Fotoelektrični efekat (fotoelektrični efekat). Kada rendgenski foton dosegne atom tvari, može nokautirati jedan od elektrona. Ovo se dešava ako energija fotona premašuje energiju vezivanja elektrona sa jezgrom. U ovom slučaju, foton se apsorbira, a elektron se oslobađa iz atoma. Ako foton nosi više energije nego što je potrebno za oslobađanje elektrona, on će prenijeti preostalu energiju oslobođenom elektronu u obliku kinetičke energije. Ovaj fenomen, nazvan fotoelektrični efekat, nastaje kada se apsorbuju relativno niskoenergetski rendgenski zraci.

Atom koji izgubi jedan od svojih elektrona postaje pozitivan ion. Životni vijek slobodnih elektrona je vrlo kratak. Apsorbiraju ih neutralni atomi, koji se pretvaraju u negativne ione. Rezultat fotoelektričnog efekta je intenzivna ionizacija tvari.

Ako je energija rendgenskog fotona manja od energije ionizacije atoma, tada atomi prelaze u pobuđeno stanje, ali nisu ionizirani.

3. Nekoherentno rasipanje (Comptonov efekat). Ovaj efekat je otkrio američki fizičar Compton. Nastaje kada supstanca apsorbuje X-zrake kratke talasne dužine. Energija fotona takvih rendgenskih zraka uvijek je veća od energije jonizacije atoma tvari. Comptonov efekat je rezultat interakcije rendgenskog fotona visoke energije s jednim od elektrona u vanjskoj ljusci atoma, koji ima relativno slabu vezu s atomskim jezgrom.

Foton visoke energije prenosi dio svoje energije na elektron. Pobuđeni elektron se oslobađa iz atoma. Preostala energija iz originalnog fotona emituje se kao rendgenski foton veće talasne dužine pod nekim uglom u odnosu na smer kretanja originalnog fotona. Sekundarni foton može jonizirati drugi atom, itd. Ove promjene u smjeru i talasnoj dužini rendgenskih zraka poznate su kao Comptonov efekat.

Neki efekti interakcije rendgenskih zraka sa materijom

Kao što je gore spomenuto, X-zrake su sposobne pobuđivati ​​atome i molekule materije. To može uzrokovati fluoresciranje određenih tvari (kao što je cink sulfat). Ako je paralelni snop rendgenskih zraka usmjeren na neprozirne objekte, možete promatrati kako zraci prolaze kroz objekt postavljanjem ekrana prekrivenog fluorescentnom tvari.

Fluorescentni ekran se može zamijeniti fotografskim filmom. X-zraci imaju isti efekat na fotografsku emulziju kao i svetlost. Obje metode se koriste u praktičnoj medicini.

Još jedan važan efekat rendgenskih zraka je njihova jonizujuća sposobnost. To zavisi od njihove talasne dužine i energije. Ovaj efekat pruža metodu za merenje intenziteta rendgenskih zraka. Kada rendgenski zraci prođu kroz jonizacionu komoru, stvara se električna struja čija je veličina proporcionalna intenzitetu rendgenskog zračenja.

Apsorpcija rendgenskih zraka materijom

Kako X-zrake prolaze kroz materiju, njihova energija se smanjuje zbog apsorpcije i raspršenja. Slabljenje intenziteta paralelnog snopa rendgenskih zraka koji prolazi kroz supstancu određeno je Bouguerovim zakonom: I = I0 e -μd, Gdje I 0- početni intenzitet rendgenskog zračenja; I- intenzitet rendgenskih zraka koji prolaze kroz sloj materije, d- debljina upijajućeg sloja , μ - linearni koeficijent slabljenja. On jednak zbiru dvije količine: t- linearni koeficijent apsorpcije i σ - koeficijent linearne disipacije: μ = τ+ σ

Eksperimenti su otkrili da linearni koeficijent apsorpcije zavisi od atomskog broja supstance i talasne dužine rendgenskih zraka:

τ = kρZ 3 λ 3, Gdje k- koeficijent direktne proporcionalnosti, ρ - gustina supstance, Z- atomski broj elementa, λ - talasna dužina rendgenskih zraka.

Ovisnost o Z je vrlo važna sa praktične tačke gledišta. Na primjer, koeficijent apsorpcije kostiju, koje se sastoje od kalcijum fosfata, je skoro 150 puta veći od koeficijenta mekog tkiva ( Z=20 za kalcijum i Z=15 za fosfor). Kada rendgenski zraci prolaze kroz ljudsko tijelo, kosti se jasno ističu na pozadini mišića, vezivno tkivo i tako dalje.

Poznato je da probavni organi imaju isti koeficijent apsorpcije kao i druga meka tkiva. Ali senka jednjaka, želuca i crijeva može se razlikovati ako pacijent uzima kontrastno sredstvo - barij sulfat ( Z= 56 za barijum). Barijum sulfat je vrlo neproziran za rendgenske zrake i često se koristi za rendgensko ispitivanje gastrointestinalnog trakta. Određene neprozirne smjese se ubrizgavaju u krvotok kako bi se ispitalo stanje krvnih žila, bubrega itd. U ovom slučaju, jod, čiji je atomski broj 53, koristi se kao kontrastno sredstvo.

Ovisnost apsorpcije rendgenskih zraka o Z koristi se i za zaštitu od mogućih štetnih efekata rendgenskih zraka. Olovo se koristi u tu svrhu, količina Z za koji je jednako 82.

Primena rendgenskih zraka u medicini

Razlog za upotrebu rendgenskih zraka u dijagnostici bila je njihova visoka prodorna sposobnost, jedna od glavnih svojstva rendgenskog zračenja. U prvim danima nakon otkrića, rendgenski zraci su se uglavnom koristili za ispitivanje fraktura kostiju i određivanje lokacije stranih tijela (kao što su meci) u ljudskom tijelu. Trenutno se koristi nekoliko dijagnostičkih metoda pomoću rendgenskih zraka (rendgenska dijagnostika).

rendgenski snimak . Rendgen uređaj se sastoji od izvora rendgenskih zraka (rendgenske cijevi) i fluorescentnog ekrana. Nakon što rendgenski zraci prođu kroz telo pacijenta, doktor posmatra njegovu sliku u senci. Između ekrana i očiju lekara treba postaviti vodeći prozor kako bi se lekar zaštitio od štetnih efekata rendgenskih zraka. Ova metoda omogućava proučavanje funkcionalnog stanja određenih organa. Na primjer, liječnik može direktno promatrati pokrete pluća i prolazak kontrastnog sredstva kroz gastrointestinalni trakt. Nedostaci ove metode su nedovoljno kontrastne slike i relativno velike doze zračenja koje pacijent prima tokom zahvata.

Fluorografija . Ova metoda se sastoji od fotografisanja dijela tijela pacijenta. Obično se koristi za preliminarna istraživanja stanje unutrašnje organe pacijenti koji koriste male doze rendgenskog zračenja.

Radiografija. (rendgenska radiografija). Ovo je istraživačka metoda koja koristi rendgenske zrake u kojima se slika snima na fotografski film. Fotografije se obično snimaju u dvije okomite ravni. Ova metoda ima neke prednosti. Rendgenske fotografije sadrže više detalja od fluorescentnog ekrana i stoga su informativnije. Mogu se sačuvati za dalju analizu. Ukupna doza zračenja je manja od one koja se koristi u fluoroskopiji.

Kompjuterska rendgenska tomografija . Opremljen kompjuterskom tehnologijom, skener aksijalne tomografije je najsavremeniji rendgenski dijagnostički uređaj koji vam omogućava da dobijete jasnu sliku bilo kojeg dijela ljudskog tijela, uključujući i meka tkiva organa.

Prva generacija skenera za kompjuterizovanu tomografiju (CT) uključuje specijalnu rendgensku cijev koja je pričvršćena na cilindrični okvir. Tanak snop rendgenskih zraka usmjeren je na pacijenta. Dva rendgenska detektora su pričvršćena na suprotnu stranu okvira. Pacijent se nalazi u centru okvira koji se može rotirati za 180° oko njegovog tijela.

Rendgenski snop prolazi kroz stacionarni objekat. Detektori dobijaju i bilježe vrijednosti apsorpcije različitih tkiva. Snimci se vrše 160 puta dok se rendgenska cijev kreće linearno duž skenirane ravni. Zatim se okvir rotira za 1 0 i postupak se ponavlja. Snimanje se nastavlja sve dok se okvir ne okrene za 180 0 . Svaki detektor snima 28.800 kadrova (180x160) tokom studije. Informaciju obrađuje kompjuter, a slika odabranog sloja se formira pomoću posebnog kompjuterskog programa.

Druga generacija CT-a koristi nekoliko rendgenskih zraka i do 30 rendgenskih detektora. Ovo omogućava da se proces istraživanja ubrza do 18 sekundi.

Treća generacija CT-a koristi novi princip. Široki snop rendgenskih zraka u obliku lepeze pokriva predmet koji se proučava, a rendgensko zračenje koje prolazi kroz tijelo bilježi nekoliko stotina detektora. Vrijeme potrebno za istraživanje je smanjeno na 5-6 sekundi.

CT ima mnoge prednosti u odnosu na ranije rendgenske dijagnostičke metode. Karakterizira ga visoka rezolucija, što omogućava razlikovanje suptilnih promjena u mekim tkivima. CT vam omogućava da otkrijete patološke procese koji se ne mogu otkriti drugim metodama. Osim toga, korištenje CT-a omogućava smanjenje doze rendgenskog zračenja koje primaju pacijenti tijekom dijagnostičkog procesa.

X-zrake su vrsta visokoenergetskog elektromagnetnog zračenja. Aktivno se koristi u raznim granama medicine.

X-zraci su elektromagnetski talasi čija je energija fotona na skali elektromagnetnih talasa između ultraljubičastog i gama zračenja (od ~10 eV do ~1 MeV), što odgovara talasnim dužinama od ~10^3 do ~10^−2 angstroma (od ~10^−7 do ~10^−12 m). Odnosno, radi se o neuporedivo težem zračenju od vidljive svjetlosti, koja je na ovoj skali između ultraljubičastih i infracrvenih („toplinskih“) zraka.

Granica između rendgenskih zraka i gama zračenja se razlikuje uvjetno: njihovi rasponi se sijeku, gama zraci mogu imati energiju od 1 keV. Razlikuju se po poreklu: gama zraci se emituju tokom procesa koji se odvijaju u atomskim jezgrama, dok se x-zraci emituju tokom procesa koji uključuju elektrone (slobodne i one koji se nalaze u elektronskim omotačima atoma). Istovremeno, iz samog fotona je nemoguće utvrditi tokom kojeg procesa je nastao, odnosno podjela na rendgenski i gama opseg je uglavnom proizvoljna.

Opseg rendgenskih zraka podijeljen je na “meke rendgenske zrake” i “tvrde”. Granica između njih leži na talasnoj dužini od 2 angstroma i 6 keV energije.

Generator rendgenskih zraka je cijev u kojoj se stvara vakuum. Tu se nalaze elektrode - katoda, na koju se nanosi negativni naboj, i pozitivno nabijena anoda. Napon između njih je desetine do stotine kilovolti. Generiranje rendgenskih fotona događa se kada se elektroni "odlome" od katode i velikom brzinom udare u površinu anode. Rezultirajuće rendgensko zračenje naziva se "kočno zračenje"; njegovi fotoni imaju različite talasne dužine.

Istovremeno se generišu fotoni karakterističnog spektra. Neki od elektrona u atomima anodne tvari su pobuđeni, odnosno kreću se na više orbite, a zatim se vraćaju u svoje normalno stanje, emitirajući fotone određene valne dužine. U standardnom generatoru proizvode se obje vrste rendgenskog zračenja.

Istorija otkrića

Njemački naučnik Wilhelm Conrad Roentgen je 8. novembra 1895. otkrio da su određene tvari počele svijetliti kada su bile izložene “katodnim zracima”, odnosno struji elektrona koju stvara katodna cijev. On je ovu pojavu objasnio uticajem određenih rendgenskih zraka - tako se to zračenje danas naziva na mnogim jezicima. Kasnije V.K. Rentgen je proučavao fenomen koji je otkrio. On je 22. decembra 1895. dao izvještaj o ovoj temi na Univerzitetu u Würzburgu.

Kasnije se ispostavilo da je rendgensko zračenje uočeno ranije, ali tada nisu date pojave povezane s njim. od velikog značaja. Katodna cijev je izumljena davno, ali prije V.K. Niko nije obraćao puno pažnje na rendgenske snimke o pocrnjenju fotografskih ploča u blizini, itd. fenomeni. Nepoznata je i opasnost od prodornog zračenja.

Vrste i njihov uticaj na organizam

“Rentgen” je najblaži tip prodornog zračenja. Pretjerano izlaganje mekim rendgenskim zracima podsjeća na efekte ultraljubičastog zračenja, ali u težem obliku. Na koži se stvara opekotina, ali je oštećenje dublje i mnogo sporije zacjeljuje.

Tvrdi rendgen je potpuno ionizirajuće zračenje koje može dovesti do radijacijske bolesti. Kvanti rendgenskih zraka mogu razbiti proteinske molekule koji čine tkiva ljudskog tijela, kao i DNK molekule genoma. Ali čak i ako rendgenski kvant razbije molekulu vode, nema razlike: u ovom slučaju nastaju kemijski aktivni slobodni radikali H i OH, koji su sami sposobni utjecati na proteine ​​i DNK. Radijacijska bolest se javlja u težem obliku, što su hematopoetski organi više zahvaćeni.

X-zrake imaju mutageno i kancerogeno djelovanje. To znači da se povećava vjerovatnoća spontanih mutacija u ćelijama tokom zračenja, a ponekad i zdrave ćelije mogu degenerisati u kancerogene. Povećana vjerovatnoća malignih tumora standardna je posljedica bilo kakvog izlaganja zračenju, uključujući i rendgenske zrake. X-zrake su najmanje opasna vrsta prodornog zračenja, ali ipak mogu biti opasne.

Rentgensko zračenje: primjena i kako funkcionira

Rentgensko zračenje se koristi u medicini, kao iu drugim područjima ljudske djelatnosti.

Fluoroskopija i kompjuterska tomografija

Najčešća upotreba rendgenskih zraka je fluoroskopija. "Rentgensko snimanje" ljudskog tijela omogućava vam da dobijete detaljnu sliku obje kosti (najjasnije su vidljive) i slike unutrašnjih organa.

Različita transparentnost tjelesnih tkiva u rendgenskim zracima povezana je s njihovim hemijskim sastavom. Strukturne karakteristike kostiju su da sadrže mnogo kalcijuma i fosfora. Ostala tkiva se uglavnom sastoje od ugljika, vodonika, kisika i dušika. Atom fosfora teži gotovo dvostruko više od atoma kisika, a atom kalcija 2,5 puta (ugljik, dušik i vodik su čak lakši od kisika). U tom smislu, apsorpcija rendgenskih fotona u kostima je mnogo veća.

Pored dvodimenzionalnih "slika", radiografija omogućava stvaranje trodimenzionalne slike organa: ova vrsta radiografije naziva se kompjuterizovana tomografija. U te svrhe koriste se meki rendgenski zraci. Količina zračenja primljena sa jedne slike je mala: približno je jednaka zračenju primljenom tokom dvosatnog leta u avionu na visini od 10 km.

Rentgenska detekcija grešaka omogućava vam da otkrijete manje unutrašnje nedostatke u proizvodima. Za to se koriste tvrdi rendgenski zraci, jer su mnogi materijali (na primjer metal) slabo "providni" zbog visoke atomska masa njihove sastavne supstance.

Difrakcija rendgenskih zraka i analiza rendgenske fluorescencije

X-zrake imaju svojstva koja im omogućavaju da detaljno ispitaju pojedinačne atome. Analiza difrakcije rendgenskih zraka aktivno se koristi u hemiji (uključujući biohemiju) i kristalografiji. Princip njegovog rada je difrakcijsko raspršivanje rendgenskih zraka na atomima kristala ili složenih molekula. Analizom difrakcije rendgenskih zraka određena je struktura molekule DNK.

Rentgenska fluorescentna analiza vam omogućava da brzo odredite hemijski sastav supstance.

Postoji mnogo oblika radioterapije, ali svi uključuju upotrebu jonizujućeg zračenja. Radioterapija se dijeli na 2 tipa: korpuskularnu i talasnu. Corpuscular koristi fluksove alfa čestica (jezgra atoma helijuma), beta čestica (elektrona), neutrona, protona i teških iona. Wave koristi zrake elektromagnetnog spektra - x-zrake i gama.

Radioterapijske metode se prvenstveno koriste za liječenje raka. Činjenica je da zračenje prvenstveno utječe na stanice koje se aktivno dijele, zbog čega krvotvorni organi toliko pate (njihove stanice se neprestano dijele, stvarajući sve više novih crvenih krvnih zrnaca). Ćelije raka se također stalno dijele i podložnije su zračenju od zdravog tkiva.

Koristi se nivo zračenja koji potiskuje aktivnost ćelija raka, a ima umeren efekat na zdrave ćelije. Pod uticajem zračenja ne dolazi do uništavanja ćelija kao takvih, već do oštećenja njihovog genoma – molekula DNK. Ćelija sa uništenim genomom može postojati neko vrijeme, ali se više ne može dijeliti, odnosno rast tumora prestaje.

Rentgenska terapija je najblaži oblik radioterapije. Talasno zračenje je mekše od korpuskularnog zračenja, a rendgenski zraci su mekši od gama zračenja.

Tokom trudnoće

Korišćenje jonizujućeg zračenja tokom trudnoće je opasno. X-zrake su mutagene i mogu uzrokovati probleme kod fetusa. Rentgenska terapija je nespojiva s trudnoćom: može se koristiti samo ako je već odlučeno da se pobaci. Ograničenja za fluoroskopiju su blaža, ali je u prvim mjesecima i ona strogo zabranjena.

Kada hitan slučaj Rendgenski pregled zamjenjuje se magnetskom rezonancom. Ali i u prvom tromjesečju to pokušavaju izbjeći (ova metoda se pojavila nedavno, a sa potpunom sigurnošću možemo reći da nema štetnih posljedica).

Jasna opasnost nastaje kada se izloži ukupnoj dozi od najmanje 1 mSv (u starim jedinicama - 100 mR). Jednostavnim rendgenskim snimkom (na primjer, kada je podvrgnut fluorografiji), pacijent prima otprilike 50 puta manje. Da biste primili takvu dozu odjednom, potrebno je da se podvrgnete detaljnoj kompjuterizovanoj tomografiji.

Odnosno, činjenica 1-2 x "rendgenskog snimka" sama po sebi u ranoj fazi trudnoće ne prijeti ozbiljnim posljedicama (ali bolje je ne riskirati).

Tretman sa njim

Rendgen se prvenstveno koristi u borbi protiv malignih tumora. Ova metoda je dobra jer je vrlo efikasna: ubija tumor. Loša je u tome što zdrava tkiva prolaze malo bolje i postoje brojne nuspojave. Posebno su opasni hematopoetski organi.

U praksi se koriste različite metode za smanjenje uticaja rendgenskih zraka na zdravo tkivo. Zrake su usmjerene pod kutom tako da se tumor nalazi u području njihovog sjecišta (zbog toga se glavna apsorpcija energije događa upravo tamo). Ponekad se postupak izvodi u pokretu: tijelo pacijenta rotira u odnosu na izvor zračenja oko ose koja prolazi kroz tumor. U tom slučaju zdrava tkiva su u zoni zračenja samo povremeno, a bolesna tkiva su stalno izložena.

Rendgen se koristi u liječenju određenih artroza i sličnih bolesti, kao i kožnih oboljenja. U ovom slučaju, sindrom boli se smanjuje za 50-90%. Budući da je zračenje mekše, nuspojave slične onima koje se javljaju u liječenju tumora se ne primjećuju.

Savremena medicinska dijagnostika i liječenje određenih bolesti ne mogu se zamisliti bez uređaja koji koriste svojstva rendgenskog zračenja. Otkriće rendgenskih zraka dogodilo se prije više od 100 godina, ali čak i sada se nastavlja rad na stvaranju novih tehnika i uređaja za smanjenje negativnih učinaka zračenja na ljudski organizam.

Ko je otkrio rendgenske zrake i kako?

U prirodnim uslovima, fluksovi rendgenskih zraka su rijetki i emitiraju ih samo određeni radioaktivni izotopi. X-zrake ili X-zrake otkrio je tek 1895. njemački naučnik Wilhelm Röntgen. Ovo otkriće se dogodilo slučajno, tokom eksperimenta za proučavanje ponašanja svetlosnih zraka u uslovima koji se približavaju vakuumu. Eksperiment je uključivao katodnu cijev za plinsko pražnjenje sa smanjenim tlakom i fluorescentni ekran, koji je svaki put počeo svijetliti u trenutku kada je cijev počela raditi.

Zainteresovan za čudan efekat, Roentgen je sproveo niz studija koje pokazuju da je nastalo zračenje, nevidljivo oku, sposobno da prodre kroz razne prepreke: papir, drvo, staklo, neke metale, pa čak i kroz ljudsko telo. Unatoč nedostatku razumijevanja same prirode onoga što se događa, da li je takav fenomen uzrokovan stvaranjem struje nepoznatih čestica ili valova, zabilježen je sljedeći obrazac - zračenje lako prolazi kroz meka tkiva tijela, a mnogo teže kroz tvrda živa tkiva i nežive supstance.

Rentgen nije bio prvi koji je proučavao ovaj fenomen. U sredini XIX vijeka, slične mogućnosti su proučavali Francuz Antoine Mason i Englez William Crookes. Međutim, upravo je Roentgen prvi izumio katodnu cijev i indikator koji bi se mogao koristiti u medicini. On je prvi objavio rasprava, što mu je donijelo titulu prvog Nobelovac među fizičarima.

Godine 1901. započela je plodna saradnja između tri naučnika, koji su postali osnivači radiologije i radiologije.

Osobine rendgenskih zraka

X-zraci su komponenta opšti spektar elektromagnetnog zračenja. Talasna dužina leži između gama i ultraljubičastih zraka. X-zrake imaju sva uobičajena svojstva talasa:

• difrakcija;
• refrakcija;
• smetnje;
• brzina širenja (jednaka je svjetlosti).

Za umjetno stvaranje protoka rendgenskih zraka koriste se posebni uređaji - rendgenske cijevi. Rendgensko zračenje nastaje zbog kontakta brzih elektrona iz volframa sa supstancama koje isparavaju iz vruće anode. Na pozadini interakcije pojavljuju se elektromagnetski valovi kratke dužine, smješteni u spektru od 100 do 0,01 nm i u energetskom rasponu od 100-0,1 MeV. Ako je talasna dužina zraka manja od 0,2 nm, to je tvrdo zračenje; ako je talasna dužina veća od ove vrednosti, nazivaju se mekim X-zracima.

Značajno je da se kinetička energija koja nastaje kontaktom elektrona i anodne supstance 99% pretvara u toplotnu energiju, a samo 1% je rendgensko zračenje.

Rentgensko zračenje – kočno i karakteristično

X-zračenje je superpozicija dvije vrste zraka - kočnog i karakterističnog. U cijevi se stvaraju istovremeno. Stoga, rendgensko zračenje i karakteristike svake određene rendgenske cijevi – njen spektar zračenja – zavise od ovih pokazatelja i predstavljaju njihovo preklapanje.

Kočno ili kontinuirano X-zrake rezultat su usporavanja elektrona isparenih iz volframove niti.

Karakteristični ili linijski rendgenski zraci nastaju u trenutku restrukturiranja atoma supstance anode rendgenske cijevi. Talasna dužina karakterističnih zraka direktno ovisi o atomskom broju kemijskog elementa koji se koristi za izradu anode cijevi.

Navedena svojstva rendgenskih zraka omogućavaju im upotrebu u praksi:

• nevidljivost za obične oči;
• visoka sposobnost prodiranja kroz živa tkiva i nežive materijale koji ne propuštaju zrake vidljivog spektra;
• efekat jonizacije na molekularne strukture.

Principi rendgenskog snimanja

Svojstva rendgenskih zraka na kojima se zasniva slikanje su sposobnost razlaganja ili izazivanja sjaja određenih supstanci.

Rendgensko zračenje izaziva fluorescentni sjaj u kadmiju i cink sulfidima - zeleni, au kalcijum volframatu - plavi. Ovo svojstvo se koristi u medicinskim tehnikama rendgenskog snimanja i takođe povećava funkcionalnost rendgenskih ekrana.

Fotohemijski efekat rendgenskih zraka na fotoosetljive materijale srebrnog halogenida (ekspozicija) omogućava dijagnostiku – snimanje rendgenskih fotografija. Ovo svojstvo se koristi i pri mjerenju ukupne doze koju primaju laboratorijski asistenti u rendgenskim sobama. Dozimetri za tijelo sadrže posebne osjetljive trake i indikatore. Jonizujući efekat rendgenskog zračenja omogućava određivanje kvalitativnih karakteristika nastalih rendgenskih zraka.

Jednokratno izlaganje zračenju konvencionalnih rendgenskih zraka povećava rizik od raka za samo 0,001%.

Područja u kojima se koriste rendgenski zraci

Upotreba rendgenskih zraka je dozvoljena u sljedećim industrijama:

1. Sigurnost. Stacionarni i prenosivi uređaji za otkrivanje opasnih i zabranjenih predmeta na aerodromima, carini ili na mjestima gužve.
2. Hemijska industrija, metalurgija, arheologija, arhitektura, građevinarstvo, restauratorski radovi - za otkrivanje nedostataka i izvođenje hemijskih analiza supstanci.
3. Astronomija. Pomaže u praćenju kosmička tela i fenomeni pomoću rendgenskih teleskopa.
4. Vojna industrija. Za razvoj laserskog oružja.

Glavna primjena rendgenskog zračenja je u oblasti medicine. Danas dio medicinske radiologije obuhvata: radiodijagnozu, radioterapiju (rentgensku terapiju), radiohirurgiju. Medicinski univerziteti diplomirani visokospecijalizovani specijalisti – radiolozi.

X-zračenje - šteta i koristi, učinci na tijelo

Velika prodorna moć i jonizujući učinak rendgenskih zraka mogu uzrokovati promjene u strukturi ćelijskog DNK, te stoga predstavljaju opasnost za ljude. Šteta od rendgenskih zraka direktno je proporcionalna primljenoj dozi zračenja. Različiti organi reaguju na zračenje u različitom stepenu. Najosjetljiviji uključuju:

• koštana srž i koštano tkivo;
• očna leća;
• štitnjača;
• mliječne i reproduktivne žlijezde;
• plućnog tkiva.

Nekontrolirana upotreba rendgenskog zračenja može uzrokovati reverzibilne i ireverzibilne patologije.

Posljedice rendgenskog zračenja:

• oštećenje koštane srži i pojava patologija hematopoetskog sistema - eritrocitopenija, trombocitopenija, leukemija;
• oštećenje leće, s naknadnim razvojem katarakte;
• ćelijske mutacije koje su naslijeđene;
• razvoj raka;
• primanje radijacijskih opekotina;
• razvoj radijacijske bolesti.

Bitan! Za razliku od radioaktivnih supstanci, rendgenski zraci se ne akumuliraju u tjelesnim tkivima, što znači da rendgenske zrake nije potrebno uklanjati iz tijela. Štetno djelovanje rendgenskog zračenja prestaje kada se medicinski uređaj isključi.

Upotreba rendgenskog zračenja u medicini dopuštena je ne samo u dijagnostičke (traumatologija, stomatologija), već i u terapeutske svrhe:

• X-zrake u malim dozama stimuliraju metabolizam u živim stanicama i tkivima;
• određene limitirajuće doze koriste se za liječenje onkoloških i benignih neoplazmi.

Metode za dijagnosticiranje patologija pomoću rendgenskih zraka

Radiodijagnostika uključuje sljedeće tehnike:

1. Fluoroskopija je studija tokom koje se slika dobija na fluorescentnom ekranu u realnom vremenu. Uz klasično dobijanje slike dijela tijela u realnom vremenu, danas postoje tehnologije rendgenske televizijske transiluminacije - slika se sa fluorescentnog ekrana prenosi na televizijski monitor koji se nalazi u drugoj prostoriji. Razvijeno je nekoliko digitalnih metoda za obradu rezultirajuće slike, nakon čega je slijedio prijenos sa ekrana na papir.
2. Fluorografija je najjeftinija metoda pregleda organa grudnog koša, koja se sastoji od snimanja umanjene slike veličine 7x7 cm.Uprkos vjerovatnoći greške, to je jedini način da se izvrši masovni godišnji pregled stanovništva. Metoda nije opasna i ne zahtijeva uklanjanje primljene doze zračenja iz tijela.
3. Radiografija je proizvodnja sažete slike na filmu ili papiru kako bi se razjasnio oblik organa, njegov položaj ili ton. Može se koristiti za procjenu peristaltike i stanja sluzokože. Ako postoji izbor, onda među modernim rendgenskim uređajima, prednost ne treba dati ni digitalnim uređajima, kod kojih fluks rendgenskih zraka može biti veći nego kod starih uređaja, već niskim dozama rendgenskih uređaja sa direktnim ravnim poluprovodnički detektori. Omogućuju vam da smanjite opterećenje tijela za 4 puta.
4. Kompjuterizirana rendgenska tomografija je tehnika koja koristi rendgenske zrake za dobivanje potrebnog broja slika dijelova odabranog organa. Među mnogim varijetetima modernih CT uređaja, kompjuterski tomografi visoke rezolucije niske doze se koriste za niz ponovljenih studija.

Radioterapija

Rentgenska terapija je lokalna metoda liječenja. Najčešće se metoda koristi za uništavanje stanica raka. Budući da je učinak usporediv s kirurškim uklanjanjem, ova metoda liječenja se često naziva radiohirurgija.

Danas se rendgensko liječenje provodi na sljedeće načine:

1. Eksterna (protonska terapija) – snop zračenja ulazi u tijelo pacijenta izvana.
2. Interna (brahiterapija) - upotreba radioaktivnih kapsula ugradnjom u tijelo, stavljajući ih bliže kancerogenom tumoru. Nedostatak ove metode liječenja je u tome što je pacijent potrebno izolirati dok se kapsula ne ukloni iz tijela.

Ove metode su nježne, a njihova upotreba je u nekim slučajevima poželjnija od kemoterapije. Ova popularnost je zbog činjenice da se zraci ne akumuliraju i ne zahtijevaju uklanjanje iz tijela, imaju selektivni učinak, bez utjecaja na druge stanice i tkiva.

Sigurna granica izlaganja rendgenskim zracima

Ovaj pokazatelj norme dopuštene godišnje izloženosti ima svoje ime - genetski značajna ekvivalentna doza (GSD). Ovaj indikator nema jasne kvantitativne vrijednosti.

1. Ovaj pokazatelj ovisi o dobi pacijenta i želji da ima djecu u budućnosti.
2. Zavisi koji su organi pregledani ili liječeni.
3. Na GZD utiče nivo prirodne radioaktivne pozadine u regionu u kojem osoba živi.

Danas su na snazi ​​sljedeći prosječni GZD standardi:

• nivo ekspozicije iz svih izvora, osim medicinskih, i bez uzimanja u obzir prirodnog pozadinskog zračenja - 167 mrem godišnje;
• norma za godišnji ljekarski pregled nije veća od 100 mrem godišnje;
• ukupna sigurna vrijednost je 392 mrem godišnje.

Rentgensko zračenje ne zahtijeva uklanjanje iz tijela, a opasno je samo u slučaju intenzivnog i dugotrajnog izlaganja. Moderna medicinska oprema koristi niskoenergetsko zračenje kratkog trajanja, pa se njena upotreba smatra relativno bezopasnom.

Moderna medicina koristi mnoge liječnike za dijagnozu i terapiju. Neki od njih se koriste relativno nedavno, dok se drugi praktikuju desetinama ili čak stotinama godina. Takođe, pre sto deset godina, William Conrad Roentgen je otkrio neverovatne rendgenske zrake, koje su izazvale značajan odjek u naučnom i medicinskom svetu. I sada ih doktori širom svijeta koriste u svojoj praksi. Tema našeg današnjeg razgovora bit će rendgenske zrake u medicini, o njihovoj upotrebi ćemo govoriti malo detaljnije.

X-zrake su vrsta elektromagnetnog zračenja. Odlikuju se značajnim prodornim kvalitetima, koji zavise od talasne dužine zračenja, kao i od gustine i debljine ozračenih materijala. Osim toga, rendgenski zraci mogu uzrokovati sjaj brojnih supstanci, utjecati na žive organizme, ionizirati atome, a također katalizirati neke fotokemijske reakcije.

Primena rendgenskih zraka u medicini

Danas svojstva rendgenskih zraka omogućavaju im široku primjenu u rendgenskoj dijagnostici i rendgenskoj terapiji.

Rentgenska dijagnostika

Rentgenska dijagnostika se koristi kada se radi:

rendgenski snimak (radioskopija);
- radiografija (slika);
- fluorografija;
- Rendgen i kompjuterizovana tomografija.

rendgenski snimak

Za provođenje takve studije, pacijent se mora postaviti između rendgenske cijevi i posebnog fluorescentnog ekrana. Specijalistički radiolog odabire potrebnu krutost rendgenskih zraka, dobijajući na ekranu sliku unutrašnjih organa, kao i rebara.

Radiografija

Za provedbu ove studije pacijent se stavlja na kasetu koja sadrži poseban fotografski film. Rendgen aparat se postavlja direktno iznad objekta. Kao rezultat, na filmu se pojavljuje negativna slika unutrašnjih organa, koja sadrži niz sitnih detalja, detaljnijih nego prilikom fluoroskopskog pregleda.

Fluorografija

Ova studija se provodi tokom masovnih medicinskih pregleda stanovništva, uključujući i otkrivanje tuberkuloze. U ovom slučaju, slika sa velikog ekrana se projektuje na poseban film.

Tomografija

Prilikom izvođenja tomografije, kompjuterske zrake pomažu da se dobiju slike organa na nekoliko mjesta odjednom: u posebno odabranim poprečnim presjecima tkiva. Ova serija rendgenskih zraka naziva se tomogram.

Kompjuterski tomogram

Ova studija vam omogućava da snimite dijelove ljudskog tijela pomoću rendgenskog skenera. Nakon toga, podaci se unose u kompjuter, što rezultira jednom slikom poprečnog presjeka.

Svaka od navedenih dijagnostičkih metoda zasniva se na svojstvima rendgenskog snopa da osvjetljava fotografski film, kao i na činjenici da se ljudska tkiva i kosti razlikuju po različitoj propusnosti za djelovanje.

Rentgenska terapija

Sposobnost rendgenskih zraka da na poseban način utječu na tkivo koristi se za liječenje tumorskih formacija. Štaviše, jonizujući kvalitet ovog zračenja posebno je uočljiv kada utiče na ćelije koje su sposobne za brzu deobu. Upravo te osobine razlikuju ćelije malignih onkoloških formacija.

Međutim, vrijedi napomenuti da rendgenska terapija može uzrokovati mnogo ozbiljnih nuspojava. Ovo dejstvo agresivno utiče na stanje hematopoetskog, endokrinog i imunog sistema čije se ćelije takođe veoma brzo dele. Agresivni utjecaj na njih može uzrokovati znakove radijacijske bolesti.

Utjecaj rendgenskog zračenja na ljude

Proučavajući rendgenske zrake, doktori su otkrili da oni mogu dovesti do promjena na koži koje podsjećaju na opekotine od sunca, ali su praćene dubljim oštećenjem kože. Ovakvim ulceracijama je potrebno izuzetno dugo da zacijele. Naučnici su otkrili da se takve ozljede mogu izbjeći smanjenjem vremena i doze zračenja, kao i korištenjem posebnih štitnika i tehnika. daljinski upravljač.

Agresivni efekti rendgenskih zraka mogu se manifestirati i dugoročno: privremene ili trajne promjene u sastavu krvi, osjetljivost na leukemiju i rano starenje.

Učinak rendgenskih zraka na osobu ovisi o mnogim faktorima: koji organ je zračen i koliko dugo. Zračenje hematopoetskih organa može dovesti do bolesti krvi, a izlaganje genitalijama može dovesti do neplodnosti.

Sprovođenje sistematskog zračenja prepuno je razvoja genetskih promjena u tijelu.

Prava šteta rendgenskih zraka u rendgenskoj dijagnostici

Prilikom pregleda, doktori koriste minimalni mogući broj rendgenskih snimaka. Sve doze zračenja zadovoljavaju određene prihvatljive standarde i ne mogu naštetiti osobi. Rendgenska dijagnostika predstavlja značajnu opasnost samo za ljekare koji je obavljaju. I onda savremenim metodama zaštite pomažu da se agresija zraka svede na minimum.

Najsigurnije metode rendgenske dijagnostike uključuju radiografiju ekstremiteta, kao i rendgenske snimke zuba. Sledeće mesto u ovoj rang listi je mamografija, zatim kompjuterska tomografija, a zatim radiografija.

Da bi upotreba rendgenskih zraka u medicini donijela samo dobrobit ljudima, potrebno je provoditi istraživanja uz njihovu pomoć samo kada je to indicirano.

U proučavanju i praktičnoj upotrebi atomskih pojava, rendgenski zraci igraju jednu od najvažnijih uloga. Zahvaljujući njihovim istraživanjima napravljena su mnoga otkrića i razvijene metode za analizu supstanci koje se koriste u raznim oblastima. Ovdje ćemo pogledati jednu vrstu rendgenskih zraka - karakteristične rendgenske zrake.

Priroda i svojstva rendgenskih zraka

Rentgensko zračenje je visokofrekventna promjena stanja elektromagnetnog polja, koja se širi u svemiru brzinom od oko 300.000 km/s, odnosno elektromagnetnih valova. Na skali opsega elektromagnetnog zračenja, rendgenski zraci se nalaze u području talasnih dužina od približno 10 -8 do 5∙10 -12 metara, što je nekoliko redova veličine kraće od optičkih talasa. Ovo odgovara frekvencijama od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz i energijama od 10 eV do 250 keV, odnosno 1,6∙10 -18 do 4∙10 -14 J. Treba napomenuti da su granice frekvencijskih opsega od elektromagnetna zračenja su prilično proizvoljna zbog njihovog preklapanja.

To je interakcija ubrzanih nabijenih čestica (elektrona visoke energije) s električnim i magnetskim poljima i s atomima materije.

Rentgenske fotone karakteriziraju visoke energije i visoka moć prodiranja i jonizacije, posebno za tvrde rendgenske zrake s valnim dužinama manjim od 1 nanometra (10 -9 m).

X-zrake stupaju u interakciju sa materijom, jonizujući njene atome, u procesima fotoelektričnog efekta (fotoapsorpcija) i nekoherentnog (Compton) rasejanja. U fotoapsorpciji, rendgenski foton, apsorbiran od strane elektrona atoma, prenosi energiju na njega. Ako njegova vrijednost premašuje energiju vezivanja elektrona u atomu, onda on napušta atom. Comptonovo raspršenje je karakteristično za tvrđe (energetske) rendgenske fotone. Dio energije apsorbiranog fotona troši se na jonizaciju; u ovom slučaju, pod određenim uglom u odnosu na smer primarnog fotona, emituje se sekundarni foton, sa nižom frekvencijom.

Vrste rendgenskog zračenja. Bremsstrahlung

Za proizvodnju greda koriste se stakleni vakuumski cilindri s elektrodama smještenim unutar. Razlika potencijala na elektrodama mora biti vrlo visoka - do stotina kilovolti. Na volframskoj katodi, zagrijanoj strujom, nastaje termoionska emisija, odnosno iz nje se emituju elektroni koji, ubrzani razlikom potencijala, bombardiraju anodu. Kao rezultat njihove interakcije s atomima anode (koja se ponekad naziva i antikatoda), rađaju se rendgenski fotoni.

U zavisnosti od toga koji proces dovodi do stvaranja fotona, razlikuju se vrste rendgenskog zračenja: kočiono i karakteristično.

Elektroni se pri susretu sa anodom mogu usporiti, odnosno izgubiti energiju električna polja njegovih atoma. Ova energija se emituje u obliku rendgenskih fotona. Ova vrsta zračenja se naziva kočno zračenje.

Jasno je da će se uslovi kočenja razlikovati za pojedinačne elektrone. To znači da se različite količine njihove kinetičke energije pretvaraju u rendgenske zrake. Kao rezultat toga, kočni zrak uključuje fotone različitih frekvencija i, shodno tome, valnih dužina. Stoga je njegov spektar kontinuiran (kontinuiran). Ponekad se iz tog razloga naziva i "bijelo" rendgensko zračenje.

Energija fotona kočnog zraka ne može premašiti kinetičku energiju elektrona koji ga generiše, tako da maksimalna frekvencija (i najkraća talasna dužina) kočnog zračenja odgovara najvećoj vrijednosti kinetičke energije elektrona koji upadaju na anodu. Ovo posljednje ovisi o razlici potencijala primijenjenoj na elektrode.

Postoji još jedna vrsta rendgenskog zračenja, čiji je izvor drugačiji proces. Ovo zračenje se naziva karakteristično zračenje i na njemu ćemo se detaljnije zadržati.

Kako nastaje karakteristično rendgensko zračenje?

Došavši do antikatode, brzi elektron može prodrijeti unutar atoma i izbaciti elektron s jedne od nižih orbitala, odnosno prenijeti joj energiju dovoljnu da savlada potencijalnu barijeru. Međutim, ako postoje viši energetski nivoi u atomu okupiranim elektronima, ispražnjeni prostor neće ostati prazan.

Mora se imati na umu da elektronska struktura atoma, kao i svaki energetski sistem, ima tendenciju da minimizira energiju. Prazno mjesto nastalo kao rezultat nokauta popunjava se elektronom s jednog od viših nivoa. Njegova energija je veća i, zauzimajući niži nivo, emituje višak u obliku kvanta karakterističnog rendgenskog zračenja.

Elektronska struktura atoma je diskretni skup mogućih energetskih stanja elektrona. Stoga, rendgenski fotoni koji se emituju tokom zamjene slobodnih elektrona također mogu imati samo striktno definirane vrijednosti energije, što odražava razliku u nivoima. Kao rezultat toga, karakteristično rendgensko zračenje ima spektar koji nije kontinuiran, već u obliku linije. Ovaj spektar omogućava karakterizaciju supstance anode - otuda i naziv ovih zraka. Zahvaljujući spektralnim razlikama jasno je šta se podrazumeva pod kočnim i karakterističnim rendgenskim zračenjem.

Ponekad višak energije ne emituje atom, već se troši na izbacivanje trećeg elektrona. Ovaj proces - takozvani Auger efekat - je vjerojatnije da će se dogoditi kada energija vezivanja elektrona ne prelazi 1 keV. Energija oslobođenog Auger elektrona zavisi od strukture energetskih nivoa atoma, pa su i spektri takvih elektrona diskretne prirode.

Opšti prikaz karakterističnog spektra

Uske karakteristične linije prisutne su na rendgenskoj spektralnoj slici zajedno sa kontinuiranim spektrom kočnog zračenja. Ako zamislimo spektar kao graf intenziteta u odnosu na talasnu dužinu (frekvenciju), videćemo oštre vrhove na lokacijama linija. Njihov položaj zavisi od materijala anode. Ovi maksimumi su prisutni na bilo kojoj potencijalnoj razlici - ako postoje rendgenski zraci, uvijek postoje i pikovi. Kako napon na elektrodama cijevi raste, povećava se i intenzitet kontinuiranog i karakterističnog rendgenskog zračenja, ali se lokacija vrhova i omjer njihovih intenziteta ne mijenjaju.

Vrhovi u rendgenskim spektrima imaju isti izgled bez obzira na materijal antikatode ozračenog elektronima, ali za različite materijale se nalaze na različitim frekvencijama, udružujući se u seriju na osnovu blizine frekvencijskih vrijednosti. Između samih serija, razlika u frekvencijama je mnogo značajnija. Tip maksimuma ni na koji način ne zavisi od toga da li je materijal anode čisti hemijski element ili složena supstanca. U potonjem slučaju, karakteristični rendgenski spektri njegovih sastavnih elemenata jednostavno su superponirani jedan na drugi.

Kako se atomski broj kemijskog elementa povećava, sve linije njegovog rendgenskog spektra pomiču se prema višim frekvencijama. Spektar zadržava svoj izgled.

Moseleyjev zakon

Fenomen spektralnog pomaka karakterističnih linija eksperimentalno je otkrio engleski fizičar Henry Moseley 1913. godine. To mu je omogućilo da poveže frekvencije maksimuma spektra sa serijskim brojevima hemijskih elemenata. Dakle, talasna dužina karakterističnog rendgenskog zračenja, kako se ispostavilo, može biti jasno povezana sa određenim elementom. Općenito, Moseleyjev zakon se može napisati na sljedeći način: √f = (Z - S n)/n√R, gdje je f frekvencija, Z je serijski broj elementa, S n je konstanta skriniranja, n je glavni kvantni broj i R je konstanta Rydberga. Ova zavisnost je linearna i na Moseley dijagramu izgleda kao niz pravih linija za svaku vrijednost n.

Vrijednosti n odgovaraju pojedinačnim serijama karakterističnih pikova rendgenske emisije. Moseleyjev zakon omogućava da se odredi serijski broj hemijskog elementa ozračenog tvrdim elektronima na osnovu izmjerenih talasnih dužina (one su jedinstveno povezane sa frekvencijama) maksimuma rendgenskog spektra.

Struktura elektronskih omotača hemijskih elemenata je identična. Na to ukazuje monotonost promjene pomaka u karakterističnom spektru rendgenskog zračenja. Frekvencijski pomak ne odražava strukturne, već energetske razlike između elektronskih ljuski, jedinstvene za svaki element.

Uloga Moseleyjevog zakona u atomskoj fizici

Postoje mala odstupanja od strogog linearnog odnosa izraženog Moseleyjevim zakonom. Oni su povezani, prvo, s posebnostima redoslijeda popunjavanja elektronskih ljuski nekih elemenata, i, drugo, s relativističkim efektima kretanja elektrona teških atoma. Osim toga, kada se promijeni broj neutrona u jezgru (tzv. izotopski pomak), položaj linija se može neznatno promijeniti. Ovaj efekat je omogućio detaljno proučavanje strukture atoma.

Značaj Moseleyjevog zakona je izuzetno velik. Primenjujući ga uzastopno na elemente periodni sistem Mendeljejev je uspostavio obrazac povećanja rednog broja koji odgovara svakom malom pomaku u karakterističnim maksimumima. To je pomoglo da se razjasni pitanje fizičkog značenja rednog broja elemenata. Z vrijednost nije samo broj: to je pozitivni električni naboj jezgra, koji je zbir jediničnih pozitivnih naboja čestica koje čine njegov sastav. Ispravan raspored elemenata u tabeli i prisustvo praznih pozicija u njoj (oni su tada još postojali) dobili su snažnu potvrdu. Dokazana je valjanost periodičnog zakona.

Moseleyjev zakon je, osim toga, postao osnova na kojoj je nastao cijeli smjer eksperimentalnog istraživanja - rendgenska spektrometrija.

Struktura elektronskih omotača atoma

Podsjetimo se ukratko kako je struktura elektrona strukturirana.Sastoji se od školjki označenih slovima K, L, M, N, O, P, Q ili brojevima od 1 do 7. Elektrone unutar ljuske karakteriše isti glavni kvant broj n, koji određuje moguće vrijednosti energije. U vanjskim omotačima energija elektrona je veća, a potencijal ionizacije za vanjske elektrone je shodno tome manji.

Školjka uključuje jedan ili više podnivoa: s, p, d, f, g, h, i. U svakoj ljusci, broj podnivoa se povećava za jedan u odnosu na prethodni. Broj elektrona na svakom podnivou iu svakoj ljusci ne može preći određenu vrijednost. Karakteriše ih, pored glavnog kvantnog broja, ista vrednost orbitalnog elektronskog oblaka koji određuje oblik. Podnivoi su označeni ljuskom kojoj pripadaju, na primjer, 2s, 4d, itd.

Podnivo sadrži koji su specificirani, pored glavnog i orbitalnog, još jednim kvantnim brojem - magnetnim, koji određuje projekciju orbitalnog momenta elektrona na smjer magnetskog polja. Jedna orbitala ne može imati više od dva elektrona, koji se razlikuju u vrijednosti četvrtog kvantnog broja - spina.

Razmotrimo detaljnije kako nastaje karakteristično rendgensko zračenje. Budući da je porijeklo ove vrste elektromagnetne emisije povezano s pojavama koje se dešavaju unutar atoma, najpogodnije ga je opisati upravo u aproksimaciji elektronske konfiguracije.

Mehanizam za generisanje karakterističnog rendgenskog zračenja

Dakle, uzrok ovog zračenja je stvaranje slobodnih elektrona u unutrašnjim ljuskama, uzrokovanih prodiranjem visokoenergetskih elektrona duboko u atom. Vjerovatnoća da će tvrdi elektron stupiti u interakciju povećava se s gustinom elektronskih oblaka. Stoga je najvjerovatnije da će do sudara doći unutar čvrsto zbijenih unutrašnjih školjki, kao što je najniža K-ljuska. Ovdje se atom ionizira i formira se praznina u ljusci 1s.

Ovo prazno mjesto popunjava elektron iz ljuske s višom energijom, čiji višak se odnosi rendgenskim fotonom. Ovaj elektron može „pasti“ iz druge ljuske L, iz treće ljuske M itd. Tako se formira karakteristična serija, u ovom primjeru K-serija. Indikacija o tome odakle dolazi elektron koji popunjava prazno mjesto je data u obliku grčkog indeksa u oznaci serije. "Alfa" znači da dolazi iz L ljuske, "beta" znači da dolazi iz M ljuske. Trenutno postoji tendencija da se grčki slovni indeksi zamijene latinskim koji su usvojeni za označavanje školjki.

Intenzitet alfa linije u seriji je uvijek najveći - to znači da je vjerovatnoća popunjavanja slobodnog mjesta iz susjedne ljuske najveća.

Sada možemo odgovoriti na pitanje koja je maksimalna energija kvanta karakterističnog rendgenskog zračenja. Određuje se razlikom u vrijednostima energije nivoa između kojih dolazi do prijelaza elektrona, prema formuli E = E n 2 - E n 1, gdje su E n 2 i E n 1 energije elektroničkog stanja između kojih je došlo do tranzicije. Najveću vrijednost ovog parametra daju prijelazi K-serije sa maksimumom visoki nivoi atoma teških elemenata. Ali intenzitet ovih linija (visina vrhova) je najmanji, jer su najmanje vjerovatne.

Ako, zbog nedovoljnog napona na elektrodama, tvrdi elektron ne može doći do K-nivoa, formira se prazno mjesto na L-nivou i formira se manje energična L-serija sa većim valnim dužinama. Sljedeće serije se rađaju na sličan način.

Osim toga, kada se popuni upražnjeno mjesto kao rezultat elektronske tranzicije, novo upražnjeno mjesto pojavljuje se u ovoj ljusci. Ovo stvara uslove za generisanje sledeće serije. Elektronska slobodna mjesta se kreću više od nivoa do nivoa, a atom emituje kaskadu karakterističnih spektralnih serija dok ostaje joniziran.

Fina struktura karakterističnih spektra

Atomski rendgenski spektri karakterističnog rendgenskog zračenja karakterišu fina struktura, koja se, kao i u optičkim spektrima, izražava u linijskom cepljenju.

Fina struktura je zbog činjenice da je nivo energije elektronska školjka- je skup blisko raspoređenih komponenti - podljuske. Da bi se okarakterisale podljuske, uvodi se još jedan unutrašnji kvantni broj j, koji odražava interakciju elektrona sopstvenih i orbitalnih magnetnih momenata.

Zbog utjecaja spin-orbit interakcije, energetska struktura atoma postaje složenija, a kao rezultat toga, karakteristično rendgensko zračenje ima spektar karakteriziran podijeljenim linijama sa vrlo blisko raspoređenim elementima.

Elementi fine strukture obično se označavaju dodatnim digitalnim indeksima.

Karakteristično rendgensko zračenje ima osobinu koja se ogleda samo u finoj strukturi spektra. Prijelaz elektrona na niži energetski nivo se ne dešava iz niže podljuske višeg nivoa. Takav događaj ima zanemarljivu vjerovatnoću.

Upotreba rendgenskih zraka u spektrometriji

Ovo zračenje, zbog svojih karakteristika opisanih Moseleyjevim zakonom, leži u osnovi različitih rendgenskih spektralnih metoda za analizu supstanci. Prilikom analize rendgenskog spektra koristi se ili difrakcija zračenja na kristalima (valno-disperzivna metoda) ili detektori osjetljivi na energiju apsorbiranih rendgenskih fotona (energetsko-disperzivna metoda). Većina elektronskih mikroskopa opremljena je nekom vrstom dodataka za rendgensku spektrometriju.

Talasno-disperzivna spektrometrija je posebno precizna. Koristeći posebne filtere, ističu se najintenzivniji pikovi u spektru, što omogućava dobijanje gotovo monohromatskog zračenja sa tačno poznatom frekvencijom. Materijal anode je odabran vrlo pažljivo kako bi se osiguralo da se dobije monokromatski snop željene frekvencije. Njegova difrakcija po kristalna rešetka supstance koja se proučava omogućava proučavanje strukture rešetke sa velikom preciznošću. Ova metoda se također koristi u proučavanju DNK i drugih složenih molekula.

Jedna od karakteristika karakterističnog rendgenskog zračenja se takođe uzima u obzir u gama spektrometriji. Ovo je karakterističan vrh visokog intenziteta. Gama spektrometri koriste olovnu zaštitu od vanjskog pozadinskog zračenja koje ometa mjerenja. Ali olovo, apsorbirajući gama zrake, doživljava unutrašnju ionizaciju, zbog čega aktivno emituje u rendgenskom području. Za apsorpciju intenzivnih pikova karakterističnog rendgenskog zračenja olova, koristi se dodatna zaštita od kadmija. On se zauzvrat jonizuje i takođe emituje X-zrake. Za neutralizaciju karakterističnih pikova kadmijuma koristi se treći zaštitni sloj - bakar, čiji se rendgenski maksimumi nalaze izvan opsega radne frekvencije gama spektrometra.

Spektrometrija koristi i kočno i karakteristične rendgenske zrake. Dakle, prilikom analize supstanci proučavaju se spektri apsorpcije kontinuiranih rendgenskih zraka raznim supstancama.