Cosa sono i raggi X: proprietà e applicazioni delle radiazioni. Lezione Raggi X L'essenza dei raggi X

I raggi X furono scoperti per caso nel 1895 dal famoso fisico tedesco Wilhelm Roentgen. Ha studiato i raggi catodici in un tubo a scarica di gas a bassa pressione ad alta tensione tra i suoi elettrodi. Nonostante il tubo fosse in una scatola nera, Roentgen notò che uno schermo fluorescente, che si trovava nelle vicinanze, si illuminava ogni volta che il tubo veniva utilizzato. Il tubo si è rivelato una fonte di radiazioni in grado di penetrare carta, legno, vetro e persino una piastra di alluminio spessa un centimetro e mezzo.

I raggi X determinarono che il tubo a scarica di gas era una fonte di un nuovo tipo di radiazione invisibile con un grande potere di penetrazione. Lo scienziato non riuscì a determinare se questa radiazione fosse un flusso di particelle o onde e decise di dargli il nome di raggi X. Successivamente furono chiamati raggi X

È ormai noto che i raggi X sono una tipologia radiazioni elettromagnetiche, avendo una lunghezza d'onda più corta delle onde elettromagnetiche ultraviolette. La lunghezza d'onda dei raggi X varia da 70 nm fino a 10 -5 nm. Quanto più corta è la lunghezza d'onda dei raggi X, tanto maggiore è l'energia dei loro fotoni e tanto maggiore il loro potere di penetrazione. I raggi X con una lunghezza d'onda relativamente lunga (più di 10 nm), sono chiamati morbido. Lunghezza d'onda 1 - 10 nm caratterizza difficile Raggi X. Hanno un enorme potere penetrante.

Ricezione di raggi X

I raggi X vengono prodotti quando elettroni veloci, o raggi catodici, entrano in collisione con le pareti o l'anodo di un tubo a scarica di gas a bassa pressione. Un moderno tubo a raggi X è un cilindro di vetro sottovuoto al cui interno si trovano un catodo e un anodo. La differenza di potenziale tra catodo e anodo (anticatodo) raggiunge diverse centinaia di kilovolt. Il catodo è un filamento di tungsteno riscaldato dalla corrente elettrica. Ciò fa sì che il catodo emetta elettroni come risultato dell'emissione termoionica. Gli elettroni vengono accelerati dal campo elettrico nel tubo a raggi X. Poiché nel tubo è presente un numero molto piccolo di molecole di gas, gli elettroni praticamente non perdono la loro energia nel percorso verso l'anodo. Raggiungono l'anodo ad altissima velocità.

I raggi X vengono prodotti ogni volta che gli elettroni che si muovono ad alta velocità vengono rallentati dal materiale dell'anodo. La maggior parte dell'energia degli elettroni viene dissipata sotto forma di calore. Pertanto, l'anodo deve essere raffreddato artificialmente. L'anodo nel tubo a raggi X deve essere costituito da un metallo ad alto punto di fusione, come il tungsteno.

La parte di energia che non viene dissipata sotto forma di calore viene convertita in energia delle onde elettromagnetiche (raggi X). Pertanto, i raggi X sono il risultato del bombardamento elettronico della sostanza anodica. Ci sono due tipi radiazione a raggi X: inibitorio e caratteristico.

Raggi X di Bremsstrahlung

La radiazione a raggi X di Bremsstrahlung si verifica quando gli elettroni che si muovono ad alta velocità vengono rallentati dai campi elettrici degli atomi dell'anodo. Le condizioni per fermare i singoli elettroni non sono le stesse. Di conseguenza, varie parti della loro energia cinetica vengono convertite in energia dei raggi X.

Lo spettro della bremsstrahlung dei raggi X non dipende dalla natura della sostanza anodica. Come è noto, l'energia dei fotoni dei raggi X ne determina la frequenza e la lunghezza d'onda. Pertanto, la radiografia bremsstrahlung non è monocromatica. È caratterizzato da una varietà di lunghezze d'onda che possono essere rappresentate spettro continuo (continuo).

I raggi X non possono avere un'energia maggiore dell'energia cinetica degli elettroni che li compongono. La lunghezza d'onda più corta della radiazione X corrisponde alla massima energia cinetica degli elettroni in decelerazione. Quanto maggiore è la differenza di potenziale nel tubo a raggi X, tanto più corte possono essere ottenute le lunghezze d'onda dei raggi X.

Radiazione a raggi X caratteristica

La caratteristica radiazione a raggi X non è continua, ma spettro di linee. Questo tipo di radiazione si verifica quando un elettrone veloce, raggiungendo l'anodo, penetra negli orbitali interni degli atomi e distrugge uno dei loro elettroni. Di conseguenza, appare uno spazio libero che può essere riempito da un altro elettrone discendente da uno degli orbitali atomici superiori. Questa transizione di un elettrone da un livello energetico più alto a uno più basso produce raggi X di una specifica lunghezza d'onda discreta. Pertanto, la caratteristica radiazione a raggi X ha spettro di linee. La frequenza delle caratteristiche linee di radiazione dipende completamente dalla struttura degli orbitali elettronici degli atomi dell'anodo.

Linee spettrali di radiazione caratteristica di diverso elementi chimici hanno lo stesso aspetto, poiché la struttura dei loro orbitali elettronici interni è identica. Ma la loro lunghezza d'onda e frequenza sono dovute alle differenze di energia tra gli orbitali interni degli atomi pesanti e quelli leggeri.

La frequenza delle linee nello spettro della radiazione X caratteristica cambia in base al numero atomico del metallo ed è determinata dall'equazione di Moseley: v 1/2 = UN(Z-B), Dove Z- numero atomico di un elemento chimico, UN E B- costanti.

Meccanismi fisici primari di interazione della radiazione X con la materia

L’interazione primaria tra raggi X e materia è caratterizzata da tre meccanismi:

1. Diffusione coerente. Questa forma di interazione si verifica quando i fotoni dei raggi X hanno meno energia dell'energia di legame degli elettroni al nucleo atomico. In questo caso l'energia dei fotoni non è sufficiente per liberare gli elettroni dagli atomi della sostanza. Il fotone non viene assorbito dall'atomo, ma cambia la direzione di propagazione. In questo caso, la lunghezza d'onda della radiazione X rimane invariata.

2. Effetto fotoelettrico (effetto fotoelettrico). Quando un fotone di raggi X raggiunge un atomo di una sostanza, può eliminare uno degli elettroni. Ciò si verifica se l'energia del fotone supera l'energia di legame dell'elettrone con il nucleo. In questo caso, il fotone viene assorbito e l'elettrone viene rilasciato dall'atomo. Se un fotone trasporta più energia di quella necessaria per rilasciare un elettrone, trasferirà l'energia rimanente all'elettrone rilasciato sotto forma di energia cinetica. Questo fenomeno, chiamato effetto fotoelettrico, si verifica quando vengono assorbiti raggi X a energia relativamente bassa.

Un atomo che perde uno dei suoi elettroni diventa uno ione positivo. La vita degli elettroni liberi è molto breve. Vengono assorbiti da atomi neutri, che si trasformano in ioni negativi. Il risultato dell'effetto fotoelettrico è un'intensa ionizzazione della sostanza.

Se l'energia del fotone dei raggi X è inferiore all'energia di ionizzazione degli atomi, gli atomi entrano in uno stato eccitato, ma non vengono ionizzati.

3. Scattering incoerente (effetto Compton). Questo effetto è stato scoperto dal fisico americano Compton. Si verifica quando una sostanza assorbe i raggi X di lunghezza d'onda corta. L'energia dei fotoni di tali raggi X è sempre maggiore dell'energia di ionizzazione degli atomi della sostanza. L'effetto Compton risulta dall'interazione di un fotone di raggi X ad alta energia con uno degli elettroni nel guscio esterno di un atomo, che ha una connessione relativamente debole con il nucleo atomico.

Un fotone ad alta energia trasferisce parte della sua energia all'elettrone. L'elettrone eccitato viene rilasciato dall'atomo. L'energia rimanente del fotone originale viene emessa come un fotone di raggi X con una lunghezza d'onda maggiore con un certo angolo rispetto alla direzione del movimento del fotone originale. Il fotone secondario può ionizzare un altro atomo, ecc. Questi cambiamenti nella direzione e nella lunghezza d'onda dei raggi X sono noti come effetto Compton.

Alcuni effetti dell'interazione dei raggi X con la materia

Come accennato in precedenza, i raggi X sono capaci di eccitare atomi e molecole di materia. Ciò potrebbe causare la fluorescenza di alcune sostanze (come il solfato di zinco). Se un fascio parallelo di raggi X viene diretto verso oggetti opachi, è possibile osservare come i raggi attraversano l'oggetto posizionando uno schermo ricoperto da una sostanza fluorescente.

Lo schermo fluorescente può essere sostituito con pellicola fotografica. I raggi X hanno sull'emulsione fotografica lo stesso effetto della luce. Entrambi i metodi sono utilizzati nella medicina pratica.

Un altro effetto importante dei raggi X è la loro capacità ionizzante. Ciò dipende dalla loro lunghezza d'onda e dalla loro energia. Questo effetto fornisce un metodo per misurare l'intensità dei raggi X. Quando i raggi X attraversano la camera di ionizzazione, viene generata una corrente elettrica la cui intensità è proporzionale all'intensità della radiazione dei raggi X.

Assorbimento dei raggi X da parte della materia

Quando i raggi X attraversano la materia, la loro energia diminuisce a causa dell'assorbimento e della diffusione. L’attenuazione dell’intensità di un fascio parallelo di raggi X che attraversa una sostanza è determinata dalla legge di Bouguer: I = I0 e -μd, Dove io 0- intensità iniziale della radiazione a raggi X; IO- intensità dei raggi X che attraversano lo strato di materia, D- spessore dello strato assorbente , μ - coefficiente di attenuazione lineare. Lui pari alla somma due quantità: T- coefficiente di assorbimento lineare e σ - coefficiente di dissipazione lineare: μ = τ+ σ

Gli esperimenti hanno rivelato che il coefficiente di assorbimento lineare dipende dal numero atomico della sostanza e dalla lunghezza d'onda dei raggi X:

τ = kρZ3λ3, Dove K- coefficiente di proporzionalità diretta, ρ - densità della sostanza, Z- numero atomico dell'elemento, λ - lunghezza d'onda dei raggi X.

La dipendenza da Z è molto importante dal punto di vista pratico. Ad esempio, il coefficiente di assorbimento delle ossa, composte da fosfato di calcio, è quasi 150 volte superiore a quello dei tessuti molli ( Z=20 per il calcio e Z=15 per il fosforo). Quando i raggi X attraversano il corpo umano, le ossa risaltano chiaramente sullo sfondo dei muscoli, tessuto connettivo e così via.

È noto che gli organi digestivi hanno lo stesso coefficiente di assorbimento degli altri tessuti molli. Ma l'ombra dell'esofago, dello stomaco e dell'intestino può essere distinta se il paziente assume un mezzo di contrasto: solfato di bario ( Z= 56 per il bario). Il solfato di bario è molto opaco ai raggi X ed è spesso utilizzato per l'esame radiografico del tratto gastrointestinale. Alcune miscele opache vengono iniettate nel flusso sanguigno per esaminare lo stato dei vasi sanguigni, dei reni, ecc. In questo caso come mezzo di contrasto viene utilizzato lo iodio, il cui numero atomico è 53.

Dipendenza dell'assorbimento dei raggi X da Z utilizzato anche per proteggersi dai possibili effetti dannosi dei raggi X. Il piombo viene utilizzato per questo scopo, l'importo Z per cui è pari a 82.

Applicazione dei raggi X in medicina

La ragione per l'uso dei raggi X nella diagnostica era la loro elevata capacità di penetrazione, una delle principali proprietà della radiazione a raggi X. Nei primi giorni dopo la sua scoperta, i raggi X venivano utilizzati principalmente per esaminare le fratture ossee e determinare la posizione di corpi estranei (come i proiettili) nel corpo umano. Attualmente vengono utilizzati diversi metodi diagnostici che utilizzano i raggi X (diagnostica a raggi X).

raggi X . Un apparecchio a raggi X è costituito da una sorgente di raggi X (tubo a raggi X) e da uno schermo fluorescente. Dopo che i raggi X hanno attraversato il corpo del paziente, il medico osserva un'immagine ombra di lui. È necessario installare una finestra in piombo tra lo schermo e gli occhi del medico per proteggere il medico dagli effetti dannosi dei raggi X. Questo metodo consente di studiare lo stato funzionale di alcuni organi. Ad esempio, il medico può osservare direttamente i movimenti dei polmoni e il passaggio del mezzo di contrasto attraverso il tratto gastrointestinale. Gli svantaggi di questo metodo sono immagini di contrasto insufficienti e dosi relativamente elevate di radiazioni ricevute dal paziente durante la procedura.

Fluorografia . Questo metodo consiste nel fotografare una parte del corpo del paziente. Tipicamente utilizzato per ricerca preliminare stato organi interni pazienti che utilizzano basse dosi di radiazioni a raggi X.

Radiografia. (radiografia a raggi X). Si tratta di un metodo di ricerca che utilizza i raggi X in cui un'immagine viene registrata su una pellicola fotografica. Le fotografie vengono solitamente scattate su due piani perpendicolari. Questo metodo presenta alcuni vantaggi. Le fotografie a raggi X contengono più dettagli di uno schermo fluorescente e sono quindi più informative. Possono essere salvati per ulteriori analisi. La dose totale di radiazioni è inferiore a quella utilizzata in fluoroscopia.

Tomografia a raggi X computerizzata . Dotato di tecnologia informatica, uno scanner per tomografia assiale è il più moderno dispositivo diagnostico a raggi X che consente di ottenere un'immagine chiara di qualsiasi parte del corpo umano, compresi i tessuti molli degli organi.

La prima generazione di scanner per tomografia computerizzata (CT) include uno speciale tubo a raggi X fissato a un telaio cilindrico. Un sottile fascio di raggi X viene diretto al paziente. Due rilevatori di raggi X sono fissati sul lato opposto del telaio. Il paziente è al centro del telaio, che può ruotare di 180° attorno al suo corpo.

Un fascio di raggi X attraversa un oggetto stazionario. I rilevatori ottengono e registrano i valori di assorbimento di vari tessuti. Le registrazioni vengono effettuate 160 volte mentre il tubo a raggi X si muove linearmente lungo il piano scansionato. Quindi la cornice viene ruotata di 1 0 e la procedura viene ripetuta. La registrazione continua finché il fotogramma non ruota di 180 0 . Ciascun rilevatore registra 28.800 fotogrammi (180x160) durante lo studio. Le informazioni vengono elaborate da un computer e un'immagine del livello selezionato viene formata utilizzando uno speciale programma per computer.

La seconda generazione di TC utilizza diversi fasci di raggi X e fino a 30 rilevatori di raggi X. Ciò consente di accelerare il processo di ricerca fino a 18 secondi.

La terza generazione di CT utilizza un nuovo principio. Un ampio fascio di raggi X a forma di ventaglio copre l'oggetto in esame e la radiazione di raggi X che passa attraverso il corpo viene registrata da diverse centinaia di rilevatori. Il tempo necessario per la ricerca è ridotto a 5-6 secondi.

La TC presenta molti vantaggi rispetto ai precedenti metodi diagnostici a raggi X. È caratterizzato da un'alta risoluzione, che consente di distinguere sottili cambiamenti nei tessuti molli. La TC consente di rilevare processi patologici che non possono essere rilevati con altri metodi. Inoltre, l'uso della TC consente di ridurre la dose di radiazioni X ricevute dai pazienti durante il processo diagnostico.

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

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

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

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

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

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

Storia della scoperta

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

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

Tipi e loro effetti sul corpo

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

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

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

Radiazione a raggi X: applicazione e come funziona

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

Fluoroscopia e tomografia computerizzata

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

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

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

Il rilevamento dei difetti a raggi X consente di rilevare piccoli difetti interni nei prodotti. A questo scopo vengono utilizzati raggi X duri, poiché molti materiali (ad esempio il metallo) sono scarsamente “trasparenti” a causa dell’elevata massa atomica la loro sostanza costitutiva.

Diffrazione di raggi X e analisi di fluorescenza di raggi X

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

L'analisi della fluorescenza a raggi X consente di determinare rapidamente Composizione chimica sostanze.

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

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

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

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

Durante la gravidanza

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

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

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

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

Trattamento con esso

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

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

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

La diagnosi medica moderna e il trattamento di alcune malattie non possono essere immaginati senza dispositivi che sfruttano le proprietà delle radiazioni a raggi X. La scoperta dei raggi X è avvenuta più di 100 anni fa, ma anche adesso si continua a lavorare sulla creazione di nuove tecniche e dispositivi per ridurre al minimo gli effetti negativi delle radiazioni sul corpo umano.

Chi ha scoperto i raggi X e come?

In condizioni naturali, i flussi di raggi X sono rari e vengono emessi solo da alcuni isotopi radioattivi. I raggi X o raggi X furono scoperti solo nel 1895 dallo scienziato tedesco Wilhelm Röntgen. Questa scoperta è avvenuta per caso, durante un esperimento per studiare il comportamento dei raggi luminosi in condizioni prossime al vuoto. L'esperimento prevedeva un tubo catodico a scarica di gas a pressione ridotta e uno schermo fluorescente, che ogni volta cominciava a brillare nel momento in cui il tubo iniziava a funzionare.

Interessato allo strano effetto, Roentgen condusse una serie di studi dimostrando che la radiazione risultante, invisibile all'occhio, è in grado di penetrare attraverso vari ostacoli: carta, legno, vetro, alcuni metalli e persino attraverso il corpo umano. Nonostante la mancanza di comprensione della natura stessa di ciò che sta accadendo, se un tale fenomeno sia causato dalla generazione di un flusso di particelle o onde sconosciute, è stato notato il seguente schema: la radiazione passa facilmente attraverso i tessuti molli del corpo e molto più difficile attraverso i tessuti viventi duri e le sostanze non viventi.

Roentgen non fu il primo a studiare questo fenomeno. Nel mezzo XIX secolo, possibilità simili furono studiate dal francese Antoine Mason e dall'inglese William Crookes. Tuttavia, fu Roentgen il primo a inventare un tubo catodico e un indicatore che potevano essere utilizzati in medicina. Fu il primo a pubblicare trattato, che gli è valso il titolo di primo vincitore del Nobel tra i fisici.

Nel 1901 iniziò una fruttuosa collaborazione tra tre scienziati, che divennero i padri fondatori della radiologia e della radiologia.

Proprietà dei raggi X

I raggi X lo sono componente spettro generale della radiazione elettromagnetica. La lunghezza d'onda è compresa tra i raggi gamma e quelli ultravioletti. I raggi X hanno tutte le solite proprietà delle onde:

diffrazione;
rifrazione;
interferenza;
velocità di propagazione (è uguale a quella della luce).

Per generare artificialmente un flusso di raggi X, vengono utilizzati dispositivi speciali: tubi a raggi X. La radiazione a raggi X si verifica a causa del contatto degli elettroni veloci del tungsteno con le sostanze che evaporano dall'anodo caldo. Sullo sfondo dell'interazione compaiono onde elettromagnetiche di breve durata, situate nello spettro da 100 a 0,01 nm e nell'intervallo di energia di 100-0,1 MeV. Se la lunghezza d'onda dei raggi è inferiore a 0,2 nm si parla di radiazioni dure; se la lunghezza d'onda è maggiore di questo valore si chiamano raggi X molli.

È significativo che l'energia cinetica derivante dal contatto degli elettroni con la sostanza anodica venga convertita per il 99% in energia termica e solo per l'1% in raggi X.

Radiazione a raggi X – bremsstrahlung e caratteristica

La radiazione X è una sovrapposizione di due tipi di raggi: bremsstrahlung e caratteristici. Vengono generati nel tubo simultaneamente. Pertanto, l'irradiazione dei raggi X e le caratteristiche di ogni specifico tubo a raggi X - il suo spettro di radiazioni - dipendono da questi indicatori e rappresentano la loro sovrapposizione.

Bremsstrahlung o raggi X continui sono il risultato della decelerazione degli elettroni evaporati da un filamento di tungsteno.

I raggi X caratteristici o lineari si formano al momento della ristrutturazione degli atomi della sostanza dell'anodo del tubo a raggi X. La lunghezza d'onda dei raggi caratteristici dipende direttamente dal numero atomico dell'elemento chimico utilizzato per realizzare l'anodo del tubo.

Le proprietà elencate dei raggi X ne consentono l'utilizzo nella pratica:

invisibilità agli occhi comuni;
elevata capacità di penetrazione attraverso tessuti viventi e materiali non viventi che non trasmettono raggi dello spettro visibile;
effetto della ionizzazione sulle strutture molecolari.

Principi di imaging radiografico

La proprietà dei raggi X su cui si basa l'imaging è la capacità di decomporre o provocare la luminosità di determinate sostanze.

L'irradiazione dei raggi X provoca un bagliore fluorescente nel cadmio e nei solfuri di zinco - verde, e nel tungstato di calcio - blu. Questa proprietà viene utilizzata nelle tecniche di imaging medico a raggi X e aumenta anche la funzionalità degli schermi a raggi X.

L'effetto fotochimico dei raggi X sui materiali fotosensibili agli alogenuri d'argento (esposizione) consente la diagnostica, ovvero l'acquisizione di fotografie a raggi X. Questa proprietà viene utilizzata anche per misurare la dose totale ricevuta dagli assistenti di laboratorio nelle sale radiologiche. I dosimetri corporei contengono speciali nastri sensibili e indicatori. L'effetto ionizzante delle radiazioni a raggi X consente di determinare le caratteristiche qualitative dei raggi X risultanti.

Una singola esposizione alle radiazioni dei raggi X convenzionali aumenta il rischio di cancro solo dello 0,001%.

Aree in cui vengono utilizzati i raggi X

L'uso dei raggi X è consentito nei seguenti settori:

Sicurezza. Dispositivi fissi e portatili per il rilevamento di oggetti pericolosi e vietati negli aeroporti, alla dogana o in luoghi affollati.
Industria chimica, metallurgia, archeologia, architettura, edilizia, lavori di restauro - per rilevare difetti e condurre analisi chimiche delle sostanze.
Astronomia. Aiuta a monitorare corpi cosmici e fenomeni che utilizzano telescopi a raggi X.
Industria militare. Per sviluppare armi laser.

L’applicazione principale delle radiazioni a raggi X è in campo medico. Oggi la sezione di radiologia medica comprende: radiodiagnosi, radioterapia (radioterapia), radiochirurgia. Università mediche specialisti laureati altamente specializzati – radiologi.

Radiazioni X: danni e benefici, effetti sul corpo

L'elevato potere di penetrazione e l'effetto ionizzante dei raggi X possono causare cambiamenti nella struttura del DNA cellulare e quindi rappresentare un pericolo per l'uomo. Il danno derivante dai raggi X è direttamente proporzionale alla dose di radiazioni ricevuta. Diversi organi rispondono alle radiazioni in misura diversa. I più sensibili includono:

midollo osseo e tessuto osseo;
lente dell'occhio;
tiroide;
ghiandole mammarie e riproduttive;
tessuto polmonare.

L'uso incontrollato dell'irradiazione con raggi X può causare patologie reversibili e irreversibili.

Conseguenze dell'irradiazione con raggi X:

danno al midollo osseo e insorgenza di patologie del sistema ematopoietico - eritrocitopenia, trombocitopenia, leucemia;
danno al cristallino, con conseguente sviluppo di cataratta;
mutazioni cellulari ereditarie;
sviluppo del cancro;
ricevere ustioni da radiazioni;
sviluppo di malattie da radiazioni.

Importante! A differenza delle sostanze radioattive, i raggi X non si accumulano nei tessuti del corpo, il che significa che non è necessario rimuoverli dal corpo. L'effetto dannoso delle radiazioni a raggi X termina quando il dispositivo medico viene spento.

L'uso delle radiazioni a raggi X in medicina è consentito non solo per scopi diagnostici (traumatologia, odontoiatria), ma anche per scopi terapeutici:

I raggi X a piccole dosi stimolano il metabolismo nelle cellule e nei tessuti viventi;
alcune dosi limitanti vengono utilizzate per il trattamento di neoplasie oncologiche e benigne.

Metodi per diagnosticare patologie utilizzando i raggi X

La radiodiagnostica comprende le seguenti tecniche:

La fluoroscopia è uno studio durante il quale si ottiene un'immagine su uno schermo fluorescente in tempo reale. Insieme alla classica acquisizione dell'immagine di una parte del corpo in tempo reale, oggi esistono tecnologie di transilluminazione televisiva a raggi X: l'immagine viene trasferita da uno schermo fluorescente a un monitor televisivo situato in un'altra stanza. Sono stati sviluppati diversi metodi digitali per elaborare l'immagine risultante, quindi trasferirla dallo schermo alla carta.
La fluorografia è il metodo più economico per esaminare gli organi del torace e consiste nell'acquisire un'immagine in scala ridotta di 7x7 cm e, nonostante la probabilità di errore, è l'unico modo per condurre un esame annuale di massa della popolazione. Il metodo non è pericoloso e non richiede la rimozione della dose di radiazioni ricevuta dal corpo.
La radiografia è la produzione di un'immagine riassuntiva su pellicola o carta per chiarire la forma di un organo, la sua posizione o il tono. Può essere utilizzato per valutare la peristalsi e le condizioni delle mucose. Se c'è una scelta, allora tra i moderni dispositivi a raggi X, la preferenza non dovrebbe essere data né ai dispositivi digitali, dove il flusso di raggi X può essere superiore a quello dei vecchi dispositivi, ma ai dispositivi a raggi X a basso dosaggio con piatto diretto rilevatori a semiconduttore. Permettono di ridurre il carico sul corpo di 4 volte.
La tomografia computerizzata a raggi X è una tecnica che utilizza i raggi X per ottenere il numero richiesto di immagini di sezioni di un organo selezionato. Tra le numerose varietà di moderni dispositivi TC, i tomografi computerizzati ad alta risoluzione e a basso dosaggio vengono utilizzati per una serie di studi ripetuti.

Radioterapia

La radioterapia è un metodo di trattamento locale. Molto spesso, il metodo viene utilizzato per distruggere le cellule tumorali. Poiché l’effetto è paragonabile alla rimozione chirurgica, questo metodo di trattamento viene spesso chiamato radiochirurgia.

Oggi, il trattamento radiografico viene effettuato nei seguenti modi:

Esterno (terapia protonica) – un raggio di radiazioni entra nel corpo del paziente dall’esterno.
Interno (brachiterapia) - l'uso di capsule radioattive impiantandole nel corpo, posizionandole più vicino al tumore canceroso. Lo svantaggio di questo metodo di trattamento è che finché la capsula non viene rimossa dal corpo, il paziente deve essere isolato.

Questi metodi sono delicati e in alcuni casi il loro utilizzo è preferibile alla chemioterapia. Questa popolarità è dovuta al fatto che i raggi non si accumulano e non richiedono la rimozione dal corpo; hanno un effetto selettivo, senza intaccare altre cellule e tessuti.

Limite di esposizione sicura ai raggi X

Questo indicatore della norma dell'esposizione annuale consentita ha il suo nome: dose equivalente geneticamente significativa (GSD). Questo indicatore non ha valori quantitativi chiari.

Questo indicatore dipende dall’età del paziente e dal desiderio di avere figli in futuro.
Dipende da quali organi sono stati esaminati o trattati.
La GZD è influenzata dal livello del fondo radioattivo naturale nella regione in cui vive una persona.

Oggi sono in vigore i seguenti standard GZD medi:

il livello di esposizione da tutte le fonti, ad eccezione di quelle mediche, e senza tener conto della radiazione di fondo naturale - 167 mrem all'anno;
la norma per una visita medica annuale non è superiore a 100 mrem all'anno;
il valore totale della sicurezza è di 392 mrem all'anno.

Le radiazioni dei raggi X non richiedono la rimozione dal corpo e sono pericolose solo in caso di esposizione intensa e prolungata. Le moderne apparecchiature mediche utilizzano irradiazioni a bassa energia di breve durata, quindi il loro utilizzo è considerato relativamente innocuo.

La medicina moderna utilizza molti medici per la diagnosi e la terapia. Alcuni di essi sono stati utilizzati relativamente di recente, mentre altri sono stati praticati per decine o addirittura centinaia di anni. Inoltre, centodieci anni fa, William Conrad Roentgen scoprì straordinari raggi X, che provocarono una risonanza significativa nel mondo scientifico e medico. E ora i medici di tutto il mondo li usano nella loro pratica. L'argomento della nostra conversazione oggi saranno i raggi X in medicina; discuteremo del loro utilizzo in modo un po' più dettagliato.

I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica. Sono caratterizzati da notevoli qualità di penetrazione, che dipendono dalla lunghezza d'onda della radiazione, nonché dalla densità e dallo spessore dei materiali irradiati. Inoltre, i raggi X possono far brillare numerose sostanze, influenzare gli organismi viventi, ionizzare gli atomi e anche catalizzare alcune reazioni fotochimiche.

Applicazione dei raggi X in medicina

Oggi, le proprietà dei raggi X consentono loro di essere ampiamente utilizzati nella diagnostica e nella radioterapia.

Diagnostica a raggi X

La diagnostica a raggi X viene utilizzata quando si esegue:

Raggi X (radioscopia);
- radiografia (immagine);
- fluorografia;
- Tomografia a raggi X e computerizzata.

raggi X

Per condurre tale studio, il paziente deve posizionarsi tra il tubo a raggi X e uno speciale schermo fluorescente. Un radiologo specialista seleziona la rigidità richiesta dei raggi X, ottenendo sullo schermo un'immagine degli organi interni e delle costole.

Radiografia

Per condurre questo studio, il paziente viene posto su una cassetta contenente una speciale pellicola fotografica. La macchina a raggi X è posizionata direttamente sopra l'oggetto. Di conseguenza, sul film appare un'immagine negativa degli organi interni, che contiene una serie di piccoli dettagli, più dettagliati rispetto a un esame fluoroscopico.

Fluorografia

Questo studio viene effettuato durante gli esami medici di massa della popolazione, anche per rilevare la tubercolosi. In questo caso, un'immagine da un grande schermo viene proiettata su un film speciale.

Tomografia

Quando si esegue la tomografia, i raggi del computer aiutano a ottenere immagini di organi in più punti contemporaneamente: in sezioni trasversali di tessuto appositamente selezionate. Questa serie di raggi X è chiamata tomogramma.

Tomogramma computerizzato

Questo studio consente di registrare sezioni del corpo umano utilizzando uno scanner a raggi X. Successivamente, i dati vengono inseriti in un computer, risultando in un'immagine in sezione trasversale.

Ciascuno dei metodi diagnostici elencati si basa sulle proprietà del raggio di raggi X per illuminare la pellicola fotografica, nonché sul fatto che i tessuti e le ossa umani differiscono per la diversa permeabilità ai loro effetti.

Terapia a raggi X

La capacità dei raggi X di influenzare i tessuti in modo speciale viene utilizzata per trattare le formazioni tumorali. Inoltre, le qualità ionizzanti di queste radiazioni sono particolarmente evidenti quando colpiscono le cellule capaci di dividersi rapidamente. Sono proprio queste qualità che contraddistinguono le cellule delle formazioni oncologiche maligne.

Tuttavia, vale la pena notare che la terapia a raggi X può causare molti effetti collaterali gravi. Questo effetto ha un effetto aggressivo sullo stato del sistema ematopoietico, endocrino e immunitario, le cui cellule si dividono anche molto rapidamente. L'influenza aggressiva su di loro può causare segni di malattia da radiazioni.

L'effetto delle radiazioni a raggi X sull'uomo

Studiando i raggi X, i medici hanno scoperto che possono portare a cambiamenti nella pelle che ricordano una scottatura solare, ma sono accompagnati da danni più profondi alla pelle. Tali ulcerazioni richiedono molto tempo per guarire. Gli scienziati hanno scoperto che tali lesioni possono essere evitate riducendo il tempo e la dose di radiazioni, nonché utilizzando schermature e tecniche speciali. telecomando.

Gli effetti aggressivi dei raggi X possono manifestarsi anche a lungo termine: cambiamenti temporanei o permanenti nella composizione del sangue, predisposizione alla leucemia e invecchiamento precoce.

L'effetto dei raggi X su una persona dipende da molti fattori: quale organo viene irradiato e per quanto tempo. L'irradiazione degli organi emopoietici può portare a malattie del sangue e l'esposizione ai genitali può portare alla sterilità.

L'esecuzione dell'irradiazione sistematica è irta dello sviluppo di cambiamenti genetici nel corpo.

Il vero danno dei raggi X nella diagnostica radiografica

Quando effettuano un esame, i medici utilizzano il numero minimo possibile di radiografie. Tutte le dosi di radiazioni soddisfano determinati standard accettabili e non possono danneggiare una persona. La diagnostica a raggi X rappresenta un pericolo significativo solo per i medici che la eseguono. Poi metodi moderni le protezioni aiutano a ridurre al minimo l'aggressione dei raggi.

I metodi più sicuri di diagnostica a raggi X includono la radiografia delle estremità e le radiografie dentali. Il prossimo posto in questa classifica è la mammografia, seguita dalla tomografia computerizzata e poi dalla radiografia.

Affinché l'uso dei raggi X in medicina apporti solo benefici all'uomo, è necessario condurre ricerche con il loro aiuto solo quando indicato.

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

Natura e proprietà dei raggi X

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

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

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

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

Tipi di radiazioni a raggi X. Bremsstrahlung

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

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

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

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

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

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

Come si origina la caratteristica radiazione a raggi X?

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

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

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

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

Vista generale dello spettro caratteristico

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

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

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

Legge di Moseley

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

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

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

Il ruolo della legge di Moseley nella fisica atomica

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

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

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

La struttura dei gusci elettronici di un atomo

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

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

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

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

Meccanismo per generare la caratteristica radiazione a raggi X

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

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

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

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

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

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

Struttura fine degli spettri caratteristici

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

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

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

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

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

Utilizzo dei raggi X in spettrometria

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

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

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

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