Hva er røntgenstråler - egenskaper og anvendelser av stråling. Forelesning røntgenstråler Essensen av røntgen

Røntgenstråler ble oppdaget ved et uhell i 1895 av den berømte tyske fysikeren Wilhelm Roentgen. Han studerte katodestråler i et lavtrykksgassutladningsrør ved høy spenning mellom elektrodene. Til tross for at røret var i en svart boks, la Roentgen merke til at en lysrørskjerm, som tilfeldigvis var i nærheten, glødet hver gang røret var i bruk. Røret viste seg å være en kilde til stråling som kunne trenge gjennom papir, tre, glass og til og med en halvannen centimeter tykk aluminiumsplate.

Røntgen avslørte at gassutladningsrøret var en kilde til en ny type usynlig stråling med stor penetrerende kraft. Forskeren kunne ikke fastslå om denne strålingen var en strøm av partikler eller bølger, og han bestemte seg for å gi den navnet røntgenstråler. De ble senere kalt røntgenstråler

Det er nå kjent at røntgen er en type elektromagnetisk stråling, med kortere bølgelengde enn ultrafiolette elektromagnetiske bølger. Bølgelengden til røntgenstråler varierer fra 70 nm opptil 10-5 nm. Jo kortere bølgelengden til røntgenstråler er, jo større er energien til fotonene deres og desto større penetreringskraft. Røntgenstråler med relativt lang bølgelengde (mer enn 10 nm), er kalt myk. Bølgelengde 1 - 10 nm karakteriserer hard Røntgenstråler. De har enorm gjennomtrengningskraft.

Mottar røntgenbilder

Røntgenstråler produseres når raske elektroner, eller katodestråler, kolliderer med veggene eller anoden til et lavtrykksgassutladningsrør. Et moderne røntgenrør er en evakuert glassylinder med en katode og anode plassert i den. Potensialforskjellen mellom katoden og anoden (anti-katoden) når flere hundre kilovolt. Katoden er en wolframfilament oppvarmet av elektrisk strøm. Dette får katoden til å avgi elektroner som følge av termionisk emisjon. Elektronene akselereres av det elektriske feltet i røntgenrøret. Siden det er et svært lite antall gassmolekyler i røret, mister elektronene praktisk talt ikke energien sin på vei til anoden. De når anoden med svært høy hastighet.

Røntgenstråler produseres når elektroner som beveger seg med høy hastighet bremses ned av anodematerialet. Mesteparten av elektronenes energi forsvinner som varme. Derfor må anoden kjøles kunstig. Anoden i røntgenrøret må være laget av et metall som har et høyt smeltepunkt, for eksempel wolfram.

Den delen av energien som ikke spres i form av varme, omdannes til energien til elektromagnetiske bølger (røntgenstråler). Dermed er røntgenstråler et resultat av elektronbombardement av anodesubstansen. Det er to typer røntgenstråling: hemmende og karakteristisk.

Bremsstrahlung røntgen

Bremsstrahlung røntgenstråling oppstår når elektroner som beveger seg med høy hastighet bremses ned av de elektriske feltene til anodeatomene. Betingelsene for å stoppe individuelle elektroner er ikke de samme. Som et resultat blir ulike deler av deres kinetiske energi omdannet til røntgenenergi.

Spekteret til røntgen-bremsstrahlung avhenger ikke av anodesubstansens natur. Som kjent bestemmer energien til røntgenfotoner deres frekvens og bølgelengde. Derfor er røntgenbremsstrahlung ikke monokromatisk. Den er preget av en rekke bølgelengder som kan representeres kontinuerlig (kontinuerlig) spektrum.

Røntgenstråler kan ikke ha en energi som er større enn den kinetiske energien til elektronene som danner dem. Den korteste bølgelengden til røntgenstråling tilsvarer den maksimale kinetiske energien til retarderende elektroner. Jo større potensialforskjell i røntgenrøret er, desto kortere kan bølgelengdene til røntgenstråling oppnås.

Karakteristisk røntgenstråling

Den karakteristiske røntgenstrålingen er ikke kontinuerlig, men linjespekter. Denne typen stråling oppstår når et raskt elektron, når anoden, trenger inn i de indre orbitalene til atomer og slår ut et av elektronene deres. Som et resultat dukker det opp et ledig rom som kan fylles av et annet elektron som kommer ned fra en av de øvre atomorbitalene. Denne overgangen av et elektron fra et høyere til et lavere energinivå produserer røntgenstråler med en bestemt diskret bølgelengde. Derfor har den karakteristiske røntgenstrålingen linjespekter. Frekvensen til de karakteristiske strålingslinjene avhenger helt av strukturen til elektronorbitalene til anodeatomene.

Spektrallinjer med karakteristisk stråling av forskjellige kjemiske elementer har samme utseende, siden strukturen til deres indre elektronorbitaler er identisk. Men deres bølgelengde og frekvens skyldes energiforskjeller mellom de indre orbitalene til tunge og lette atomer.

Frekvensen til linjene i spekteret av karakteristisk røntgenstråling endres i samsvar med atomnummeret til metallet og bestemmes av Moseley-ligningen: v 1/2 = EN(Z-B), Hvor Z- atomnummer til et kjemisk grunnstoff, EN Og B- konstanter.

Primære fysiske mekanismer for interaksjon av røntgenstråling med materie

Den primære interaksjonen mellom røntgenstråler og materie er preget av tre mekanismer:

1. Sammenhengende spredning. Denne formen for interaksjon oppstår når røntgenfotonene har mindre energi enn bindingsenergien til elektronene til atomkjernen. I dette tilfellet er ikke fotonenergien tilstrekkelig til å frigjøre elektroner fra atomene i stoffet. Fotonet absorberes ikke av atomet, men endrer forplantningsretningen. I dette tilfellet forblir bølgelengden til røntgenstråling uendret.

2. Fotoelektrisk effekt (fotoelektrisk effekt). Når et røntgenfoton når et atom i et stoff, kan det slå ut et av elektronene. Dette skjer hvis fotonenergien overstiger bindingsenergien til elektronet med kjernen. I dette tilfellet absorberes fotonet og elektronet frigjøres fra atomet. Hvis et foton bærer mer energi enn det som trengs for å frigjøre et elektron, vil det overføre den gjenværende energien til det frigjorte elektronet i form av kinetisk energi. Dette fenomenet, kalt den fotoelektriske effekten, oppstår når relativt lavenergi røntgenstråler absorberes.

Et atom som mister ett av elektronene sine, blir et positivt ion. Levetiden til frie elektroner er veldig kort. De absorberes av nøytrale atomer, som blir til negative ioner. Resultatet av den fotoelektriske effekten er intens ionisering av stoffet.

Hvis energien til røntgenfotonet er mindre enn ioniseringsenergien til atomene, går atomene inn i en eksitert tilstand, men blir ikke ionisert.

3. Usammenhengende spredning (Compton-effekt). Denne effekten ble oppdaget av den amerikanske fysikeren Compton. Det oppstår når et stoff absorberer røntgenstråler med kort bølgelengde. Fotonenergien til slike røntgenstråler er alltid større enn ioniseringsenergien til atomene i stoffet. Compton-effekten er et resultat av interaksjonen av et høyenergi-røntgenfoton med et av elektronene i det ytre skallet til et atom, som har en relativt svak forbindelse med atomkjernen.

Et høyenergifoton overfører noe av energien til elektronet. Det eksiterte elektronet frigjøres fra atomet. Den gjenværende energien fra det opprinnelige fotonet sendes ut som et røntgenfoton med lengre bølgelengde i en vinkel i forhold til bevegelsesretningen til det opprinnelige fotonet. Det sekundære fotonet kan ionisere et annet atom osv. Disse endringene i retning og bølgelengde til røntgenstråler er kjent som Compton-effekten.

Noen effekter av interaksjon av røntgenstråler med materie

Som nevnt ovenfor er røntgenstråler i stand til å spennende atomer og materiemolekyler. Dette kan føre til at visse stoffer (som sinksulfat) fluorescerer. Hvis en parallell stråle av røntgenstråler rettes mot ugjennomsiktige objekter, kan du observere hvordan strålene passerer gjennom objektet ved å plassere en skjerm dekket med et fluorescerende stoff.

Den fluorescerende skjermen kan erstattes med fotografisk film. Røntgenstråler har samme effekt på fotografisk emulsjon som lys. Begge metodene brukes i praktisk medisin.

En annen viktig effekt av røntgenstråler er deres ioniserende evne. Dette avhenger av deres bølgelengde og energi. Denne effekten gir en metode for å måle intensiteten av røntgenstråler. Når røntgenstråler passerer gjennom ioniseringskammeret, genereres en elektrisk strøm, hvis størrelse er proporsjonal med intensiteten til røntgenstrålingen.

Absorpsjon av røntgenstråler av materie

Når røntgenstråler passerer gjennom materie, avtar energien deres på grunn av absorpsjon og spredning. Dempningen av intensiteten til en parallell stråle av røntgenstråler som passerer gjennom et stoff, bestemmes av Bouguers lov: I = I0 e -μd, Hvor jeg 0- innledende intensitet av røntgenstråling; Jeg- intensiteten av røntgenstråler som passerer gjennom materielaget, d- absorberende lagtykkelse , μ - lineær dempningskoeffisient. Han lik summen to mengder: t- lineær absorpsjonskoeffisient og σ - lineær dissipasjonskoeffisient: μ = τ+ σ

Eksperimenter har avdekket at den lineære absorpsjonskoeffisienten avhenger av atomnummeret til stoffet og bølgelengden til røntgenstrålene:

τ = kρZ 3 λ 3, Hvor k- koeffisient for direkte proporsjonalitet, ρ - stoffets tetthet, Z- atomnummer til grunnstoffet, λ - bølgelengde på røntgenstråler.

Avhengigheten av Z er veldig viktig fra et praktisk synspunkt. For eksempel er absorpsjonskoeffisienten til bein, som er sammensatt av kalsiumfosfat, nesten 150 ganger høyere enn for bløtvev ( Z=20 for kalsium og Z=15 for fosfor). Når røntgenstråler passerer gjennom menneskekroppen, skiller bein seg tydelig ut mot bakgrunnen av muskler, bindevev og så videre.

Det er kjent at fordøyelsesorganene har samme absorpsjonskoeffisient som annet bløtvev. Men skyggen av spiserøret, magen og tarmene kan skilles ut hvis pasienten tar et kontrastmiddel - bariumsulfat ( Z= 56 for barium). Bariumsulfat er svært ugjennomsiktig for røntgenstråler og brukes ofte til røntgenundersøkelse av mage-tarmkanalen. Visse ugjennomsiktige blandinger injiseres i blodet for å undersøke tilstanden til blodårer, nyrer osv. I dette tilfellet brukes jod, hvis atomnummer er 53, som kontrastmiddel.

Avhengighet av røntgenabsorpsjon av Z brukes også for å beskytte mot mulige skadelige effekter av røntgenstråler. Bly brukes til dette formålet, mengden Z hvor det er lik 82.

Anvendelse av røntgenstråler i medisin

Årsaken til bruken av røntgenstråler i diagnostikk var deres høye penetrasjonsevne, en av de viktigste egenskapene til røntgenstråling. I de første dagene etter oppdagelsen ble røntgenstråler brukt mest til å undersøke beinbrudd og bestemme plasseringen av fremmedlegemer (som kuler) i menneskekroppen. For tiden brukes flere diagnostiske metoder ved bruk av røntgenstråler (røntgendiagnostikk).

Røntgen . Et røntgenapparat består av en røntgenkilde (røntgenrør) og en fluorescerende skjerm. Etter at røntgenstråler passerer gjennom pasientens kropp, observerer legen et skyggebilde av ham. Et blyvindu bør installeres mellom skjermen og legens øyne for å beskytte legen mot de skadelige effektene av røntgenstråler. Denne metoden gjør det mulig å studere funksjonstilstanden til visse organer. For eksempel kan legen direkte observere bevegelsene til lungene og passasjen av kontrastmidlet gjennom mage-tarmkanalen. Ulempene med denne metoden er utilstrekkelige kontrastbilder og relativt store doser stråling som mottas av pasienten under prosedyren.

Fluorografi . Denne metoden består i å ta et bilde av en del av pasientens kropp. Brukes vanligvis til forundersøkelse stat Indre organer pasienter som bruker lave doser røntgenstråling.

Radiografi. (Røntgen-radiografi). Dette er en forskningsmetode som bruker røntgen der et bilde tas opp på fotografisk film. Fotografier er vanligvis tatt i to vinkelrette plan. Denne metoden har noen fordeler. Røntgenbilder inneholder flere detaljer enn en fluorescerende skjerm og er derfor mer informative. De kan lagres for videre analyse. Den totale stråledosen er mindre enn den som brukes ved fluoroskopi.

Computerrøntgentomografi . Utstyrt med datateknologi, er en aksial tomografiskanner den mest moderne røntgendiagnostiske enheten som lar deg få et klart bilde av hvilken som helst del av menneskekroppen, inkludert bløtvev av organer.

Den første generasjonen av computertomografi (CT) skannere inkluderer et spesielt røntgenrør som er festet til en sylindrisk ramme. En tynn røntgenstråle er rettet mot pasienten. To røntgendetektorer er festet til motsatt side av rammen. Pasienten er i midten av rammen, som kan rotere 180° rundt kroppen.

En røntgenstråle passerer gjennom et stasjonært objekt. Detektorene innhenter og registrerer absorpsjonsverdiene til forskjellige vev. Opptak gjøres 160 ganger mens røntgenrøret beveger seg lineært langs det skannede planet. Deretter roteres rammen 1 0 og prosedyren gjentas. Opptaket fortsetter til rammen roterer 180 0 . Hver detektor registrerer 28 800 bilder (180x160) i løpet av studien. Informasjonen behandles av en datamaskin, og et bilde av det valgte laget dannes ved hjelp av et spesielt dataprogram.

Andre generasjon CT bruker flere røntgenstråler og opptil 30 røntgendetektorer. Dette gjør det mulig å fremskynde forskningsprosessen opptil 18 sekunder.

Tredje generasjon CT bruker et nytt prinsipp. En bred vifteformet stråle av røntgenstråler dekker objektet som studeres, og røntgenstrålingen som passerer gjennom kroppen registreres av flere hundre detektorer. Tiden som kreves for forskning reduseres til 5-6 sekunder.

CT har mange fordeler i forhold til tidligere røntgendiagnostiske metoder. Den er preget av høy oppløsning, noe som gjør det mulig å skille subtile endringer i bløtvev. CT lar deg oppdage patologiske prosesser som ikke kan oppdages med andre metoder. I tillegg gjør bruken av CT det mulig å redusere dosen av røntgenstråling som mottas av pasienter under diagnoseprosessen.

Røntgenstråler er en type høyenergi elektromagnetisk stråling. Det brukes aktivt i ulike grener av medisin.

Røntgenstråler er elektromagnetiske bølger hvis fotonenergi på den elektromagnetiske bølgeskalaen ligger mellom ultrafiolett stråling og gammastråling (fra ~10 eV til ~1 MeV), som tilsvarer bølgelengder fra ~10^3 til ~10^−2 ångstrøm ( fra ~10^−7 til ~10^−12 m). Det vil si at det er uforlignelig hardere stråling enn synlig lys, som er på denne skalaen mellom ultrafiolette og infrarøde ("termiske") stråler.

Grensen mellom røntgenstråler og gammastråling skilles betinget: deres rekkevidde krysser hverandre, gammastråler kan ha en energi på 1 keV. De er forskjellige i opprinnelse: gammastråler sendes ut under prosesser som skjer i atomkjerner, mens røntgenstråler sendes ut under prosesser som involverer elektroner (både frie og de som befinner seg i elektronskallene til atomer). Samtidig er det umulig å bestemme fra selve fotonet under hvilken prosess det oppsto, det vil si at inndelingen i røntgen- og gammaområdene stort sett er vilkårlig.

Røntgenområdet er delt inn i "myk røntgen" og "hard". Grensen mellom dem ligger ved en bølgelengde på 2 ångstrøm og 6 keV energi.

En røntgengenerator er et rør der det skapes et vakuum. Det er elektroder plassert der - en katode, som en negativ ladning påføres, og en positivt ladet anode. Spenningen mellom dem er titalls til hundrevis av kilovolt. Genereringen av røntgenfotoner skjer når elektroner "bryter av" fra katoden og krasjer inn i overflaten av anoden med høy hastighet. Den resulterende røntgenstrålingen kalles "bremsstrahlung"; fotonene har forskjellige bølgelengder.

Samtidig genereres fotoner av det karakteristiske spekteret. Noen av elektronene i atomene til anodesubstansen er begeistret, det vil si at de beveger seg til høyere baner, og går deretter tilbake til sin normale tilstand, og sender ut fotoner med en viss bølgelengde. I en standard generator produseres begge typer røntgenstråling.

Oppdagelseshistorie

Den 8. november 1895 oppdaget den tyske vitenskapsmannen Wilhelm Conrad Roentgen at visse stoffer begynte å lyse når de ble utsatt for «katodestråler», det vil si en strøm av elektroner generert av et katodestrålerør. Han forklarte dette fenomenet ved påvirkning av visse røntgenstråler - slik kalles denne strålingen nå på mange språk. Senere har V.K. Roentgen studerte fenomenet han oppdaget. Den 22. desember 1895 ga han en rapport om dette emnet ved universitetet i Würzburg.

Senere viste det seg at røntgenstråling hadde blitt observert tidligere, men da ble fenomenene knyttet til det ikke gitt av stor betydning. Katodestrålerøret ble oppfunnet for lenge siden, men før V.K. Ingen ga mye oppmerksomhet til røntgenstrålene om sverting av fotografiske plater i nærheten, etc. fenomener. Faren ved inntrengende stråling var heller ukjent.

Typer og deres effekter på kroppen

"Røntgen" er den mildeste typen penetrerende stråling. Overdreven eksponering for myke røntgenstråler ligner effekten av ultrafiolett stråling, men i en mer alvorlig form. Det dannes en brannskade på huden, men skaden er dypere og den gror mye saktere.

Hard røntgen er en fullverdig ioniserende stråling som kan føre til strålesyke. Røntgenkvanter kan bryte fra hverandre proteinmolekylene som utgjør vevet i menneskekroppen, så vel som DNA-molekylene i genomet. Men selv om røntgenkvantumet bryter opp et vannmolekyl, er det ingen forskjell: i dette tilfellet dannes det kjemisk aktive frie radikaler H og OH, som selv er i stand til å påvirke proteiner og DNA. Strålesyke oppstår i en mer alvorlig form, jo mer de hematopoietiske organene påvirkes.

Røntgenstråler har mutagen og kreftfremkallende aktivitet. Dette betyr at sannsynligheten for spontane mutasjoner i celler under bestråling øker, og noen ganger kan friske celler degenerere til kreftceller. En økt sannsynlighet for ondartede svulster er en standard konsekvens av enhver strålingseksponering, inkludert røntgen. Røntgenstråler er den minst farlige typen penetrerende stråling, men de kan likevel være farlige.

Røntgenstråling: bruk og hvordan det fungerer

Røntgenstråling brukes i medisin, så vel som i andre områder av menneskelig aktivitet.

Fluoroskopi og datatomografi

Den vanligste bruken av røntgenstråler er fluoroskopi. "Røntgenbilder" av menneskekroppen lar deg få et detaljert bilde av både bein (de er tydeligst synlige) og bilder av indre organer.

Den forskjellige gjennomsiktigheten av kroppsvev i røntgenstråler er assosiert med deres kjemiske sammensetning. De strukturelle egenskapene til bein er at de inneholder mye kalsium og fosfor. Andre vev består hovedsakelig av karbon, hydrogen, oksygen og nitrogen. Et fosforatom veier nesten dobbelt så mye som et oksygenatom, og et kalsiumatom 2,5 ganger (karbon, nitrogen og hydrogen er enda lettere enn oksygen). I denne forbindelse er absorpsjonen av røntgenfotoner i bein mye høyere.

I tillegg til todimensjonale "bilder" gjør radiografi det mulig å lage et tredimensjonalt bilde av et organ: denne typen radiografi kalles computertomografi. For disse formålene brukes myke røntgenstråler. Mengden stråling mottatt fra ett bilde er liten: den er omtrent lik strålingen mottatt under en 2-timers flytur i et fly i en høyde av 10 km.

Røntgenfeildeteksjon lar deg oppdage mindre interne defekter i produkter. Harde røntgenstråler brukes til det, siden mange materialer (for eksempel metall) er dårlig "gjennomsiktige" på grunn av høy atommasse deres bestanddeler.

Røntgendiffraksjon og røntgenfluorescensanalyse

Røntgenstråler har egenskaper som gjør at de kan undersøke individuelle atomer i detalj. Røntgendiffraksjonsanalyse brukes aktivt i kjemi (inkludert biokjemi) og krystallografi. Prinsippet for driften er diffraksjonsspredning av røntgenstråler på atomer av krystaller eller komplekse molekyler. Ved hjelp av røntgendiffraksjonsanalyse ble strukturen til DNA-molekylet bestemt.

Røntgenfluorescensanalyse lar deg raskt bestemme kjemisk oppbygning stoffer.

Det finnes mange former for strålebehandling, men de involverer alle bruk av ioniserende stråling. Strålebehandling er delt inn i 2 typer: corpuscular og wave. Corpuscular bruker flukser av alfapartikler (kjerner av heliumatomer), beta-partikler (elektroner), nøytroner, protoner og tunge ioner. Wave bruker stråler av det elektromagnetiske spekteret - røntgenstråler og gamma.

Strålebehandlingsmetoder brukes primært til behandling av kreft. Faktum er at stråling først og fremst påvirker aktivt delende celler, og det er grunnen til at de hematopoietiske organene lider så mye (cellene deres deler seg hele tiden, og produserer flere og flere nye røde blodlegemer). Kreftceller deler seg også konstant og er mer sårbare for stråling enn sunt vev.

Det brukes et strålingsnivå som undertrykker kreftcellenes aktivitet samtidig som det har en moderat effekt på friske celler. Under påvirkning av stråling er det ikke ødeleggelsen av celler som sådan som skjer, men skaden på deres genom - DNA-molekyler. En celle med et ødelagt genom kan eksistere en stund, men kan ikke lenger dele seg, det vil si at tumorveksten stopper.

Røntgenbehandling er den mildeste formen for strålebehandling. Bølgestråling er mykere enn corpuskulær stråling, og røntgenstråling er mykere enn gammastråling.

Under svangerskapet

Å bruke ioniserende stråling under graviditet er farlig. Røntgen er mutagent og kan gi problemer hos fosteret. Røntgenbehandling er uforenlig med graviditet: den kan bare brukes hvis det allerede er besluttet å ta abort. Restriksjonene for fluoroskopi er mildere, men de første månedene er det også strengt forbudt.

Når nødsituasjon Røntgenundersøkelse erstattes av magnetisk resonansavbildning. Men i første trimester prøver de å unngå det også (denne metoden dukket opp nylig, og vi kan si med absolutt sikkerhet at det ikke er noen skadelige konsekvenser).

En klar fare oppstår når den utsettes for en total dose på minst 1 mSv (i gamle enheter - 100 mR). Med et enkelt røntgenbilde (for eksempel når han gjennomgår fluorografi) får pasienten omtrent 50 ganger mindre. For å motta en slik dose på en gang, må du gjennomgå en detaljert datatomografi.

Det vil si at faktumet av en 1-2 x "røntgen" i seg selv på et tidlig stadium av svangerskapet truer ikke alvorlige konsekvenser (men det er bedre å ikke risikere det).

Behandling med det

Røntgenstråler brukes først og fremst i kampen mot ondartede svulster. Denne metoden er god fordi den er svært effektiv: den dreper svulsten. Det er dårlig ved at sunt vev klarer seg litt bedre og det er mange bivirkninger. De hematopoetiske organene er spesielt farlige.

I praksis brukes ulike metoder for å redusere virkningen av røntgen på friskt vev. Strålene er rettet i en vinkel slik at svulsten er i skjæringsområdet deres (på grunn av dette skjer hovedabsorpsjonen av energi akkurat der). Noen ganger utføres prosedyren i bevegelse: pasientens kropp roterer i forhold til strålingskilden rundt en akse som går gjennom svulsten. I dette tilfellet er sunt vev i bestrålingssonen bare av og til, og sykt vev blir konstant utsatt.

Røntgenstråler brukes i behandlingen av visse artroser og lignende sykdommer, samt hudsykdommer. I dette tilfellet reduseres smertesyndromet med 50-90%. Siden strålingen som brukes er mykere, observeres ikke bivirkninger som ligner de som oppstår ved behandling av svulster.

Moderne medisinsk diagnose og behandling av visse sykdommer kan ikke forestilles uten enheter som bruker egenskapene til røntgenstråling. Oppdagelsen av røntgenstråler skjedde for mer enn 100 år siden, men selv nå fortsetter arbeidet med å lage nye teknikker og enheter for å minimere de negative effektene av stråling på menneskekroppen.

Hvem oppdaget røntgenstråler og hvordan?

Under naturlige forhold er røntgenstrømmer sjeldne og sendes ut bare av visse radioaktive isotoper. Røntgen eller røntgen ble først oppdaget i 1895 av den tyske forskeren Wilhelm Röntgen. Denne oppdagelsen skjedde ved en tilfeldighet, under et eksperiment for å studere oppførselen til lysstråler under forhold som nærmer seg et vakuum. Eksperimentet involverte et katodegassutladningsrør med redusert trykk og en fluorescerende skjerm, som hver gang begynte å lyse i det øyeblikket røret begynte å fungere.

Interessert i den merkelige effekten, gjennomførte Roentgen en serie studier som viser at den resulterende strålingen, usynlig for øyet, er i stand til å trenge gjennom ulike hindringer: papir, tre, glass, noen metaller og til og med gjennom menneskekroppen. Til tross for mangelen på forståelse av selve naturen til det som skjer, om et slikt fenomen er forårsaket av generering av en strøm av ukjente partikler eller bølger, ble følgende mønster notert - stråling passerer lett gjennom det myke vevet i kroppen, og mye hardere gjennom hardt levende vev og ikke-levende stoffer.

Roentgen var ikke den første som studerte dette fenomenet. I midten XIX århundre, ble lignende muligheter studert av franskmannen Antoine Mason og engelskmannen William Crookes. Det var imidlertid Roentgen som først oppfant et katoderør og en indikator som kunne brukes i medisin. Han var den første som publiserte avhandling, som ga ham tittelen som første Nobelprisvinner blant fysikere.

I 1901 startet et fruktbart samarbeid mellom tre forskere, som ble grunnleggerne av radiologi og radiologi.

Egenskaper til røntgenstråler

Røntgen er komponent generelt spekter av elektromagnetisk stråling. Bølgelengden ligger mellom gamma- og ultrafiolette stråler. Røntgenstråler har alle de vanlige bølgeegenskapene:

diffraksjon;
brytning;
innblanding;
forplantningshastighet (det er lik lys).

For å kunstig generere en strøm av røntgenstråler, brukes spesielle enheter - røntgenrør. Røntgenstråling oppstår på grunn av kontakt av raske elektroner fra wolfram med stoffer som fordamper fra den varme anoden. På bakgrunn av interaksjon vises elektromagnetiske bølger med kort lengde, lokalisert i spekteret fra 100 til 0,01 nm og i energiområdet 100-0,1 MeV. Hvis bølgelengden til strålene er mindre enn 0,2 nm, er dette hard stråling, hvis bølgelengden er større enn denne verdien, kalles de myke røntgenstråler.

Det er betydelig at den kinetiske energien som oppstår fra kontakten mellom elektroner og anodestoffet er 99 % omdannet til varmeenergi og bare 1 % er røntgenstråler.

Røntgenstråling – bremsstrahlung og karakteristisk

Røntgenstråling er en superposisjon av to typer stråler - bremsstrahlung og karakteristisk. De genereres i røret samtidig. Derfor er røntgenbestråling og egenskapene til hvert spesifikt røntgenrør - dets strålingsspektrum - avhengig av disse indikatorene og representerer deres overlapping.

Bremsstrahlung eller kontinuerlig røntgenstråler er resultatet av retardasjonen av elektroner fordampet fra en wolframfilament.

Karakteristiske eller linje røntgenstråler dannes i øyeblikket av restrukturering av atomene til stoffet i anoden til røntgenrøret. Bølgelengden til de karakteristiske strålene avhenger direkte av atomnummeret til det kjemiske elementet som brukes til å lage anoden til røret.

De oppførte egenskapene til røntgenstråler gjør at de kan brukes i praksis:

usynlighet for vanlige øyne;
høy penetreringsevne gjennom levende vev og ikke-levende materialer som ikke overfører stråler fra det synlige spekteret;
ioniseringseffekt på molekylære strukturer.

Prinsipper for røntgenbilder

Egenskapene til røntgenstråler som bildebehandlingen er basert på, er evnen til enten å brytes ned eller forårsake glød av visse stoffer.

Røntgenbestråling forårsaker en fluorescerende glød i kadmium og sinksulfider - grønt, og i kalsiumwolframat - blått. Denne egenskapen brukes i medisinske røntgenbildeteknikker og øker også funksjonaliteten til røntgenskjermer.

Den fotokjemiske effekten av røntgenstråler på lysfølsomme sølvhalogenider (eksponering) muliggjør diagnostikk - å ta røntgenfotografier. Denne egenskapen brukes også ved måling av totaldosen mottatt av laboratorieassistenter i røntgenrom. Kroppsdosimetre inneholder spesielle følsomme taper og indikatorer. Den ioniserende effekten av røntgenstråling gjør det mulig å bestemme de kvalitative egenskapene til de resulterende røntgenstrålene.

En enkelt eksponering for stråling fra konvensjonelle røntgenstråler øker risikoen for kreft med bare 0,001 %.

Områder der røntgenstråler brukes

Bruk av røntgenstråler er tillatt i følgende bransjer:

Sikkerhet. Stasjonære og bærbare enheter for å oppdage farlige og forbudte gjenstander på flyplasser, tollen eller på overfylte steder.
Kjemisk industri, metallurgi, arkeologi, arkitektur, konstruksjon, restaureringsarbeid - for å oppdage feil og gjennomføre kjemiske analyser av stoffer.
Astronomi. Hjelper med å overvåke kosmiske kropper og fenomener ved hjelp av røntgenteleskoper.
Militær industri. Å utvikle laservåpen.

Hovedanvendelsen av røntgenstråling er i det medisinske feltet. I dag omfatter seksjonen medisinsk radiologi: strålediagnostikk, strålebehandling (røntgenbehandling), strålekirurgi. Medisinske universiteter utdannet høyt spesialiserte spesialister - radiologer.

Røntgenstråling - skader og fordeler, effekter på kroppen

Den høye penetreringskraften og ioniserende effekten av røntgenstråler kan forårsake endringer i strukturen til celle-DNA, og utgjør derfor en fare for mennesker. Skaden fra røntgen er direkte proporsjonal med den mottatte stråledosen. Ulike organer reagerer på stråling i ulik grad. De mest utsatte inkluderer:

benmarg og benvev;
linse i øyet;
skjoldbruskkjertelen;
bryst- og reproduktive kjertler;
lungevev.

Ukontrollert bruk av røntgenbestråling kan forårsake reversible og irreversible patologier.

Konsekvenser av røntgenbestråling:

skade på benmargen og forekomsten av patologier i det hematopoietiske systemet - erytrocytopeni, trombocytopeni, leukemi;
skade på linsen, med påfølgende utvikling av grå stær;
cellulære mutasjoner som er arvet;
utvikling av kreft;
motta stråling forbrenninger;
utvikling av strålesyke.

Viktig! I motsetning til radioaktive stoffer samler ikke røntgenstråler seg opp i kroppsvev, noe som betyr at røntgenstråler ikke trenger å fjernes fra kroppen. Den skadelige effekten av røntgenstråling opphører når det medisinske utstyret slås av.

Bruk av røntgenstråling i medisin er ikke bare tillatt for diagnostiske (traumatologiske, tannleger), men også for terapeutiske formål:

Røntgen i små doser stimulerer stoffskiftet i levende celler og vev;
visse begrensende doser brukes til behandling av onkologiske og godartede neoplasmer.

Metoder for diagnostisering av patologier ved hjelp av røntgenstråler

Radiodiagnostikk inkluderer følgende teknikker:

Fluoroskopi er en studie der et bilde oppnås på en fluorescerende skjerm i sanntid. Sammen med den klassiske anskaffelsen av et bilde av en kroppsdel i sanntid, er det i dag røntgen-TV-transilluminationsteknologier - bildet overføres fra en fluorescerende skjerm til en TV-monitor plassert i et annet rom. Det er utviklet flere digitale metoder for å behandle det resulterende bildet, etterfulgt av å overføre det fra skjermen til papiret.
Fluorografi er den billigste metoden for å undersøke brystorganene, som består i å ta et bilde i redusert skala på 7x7 cm. Til tross for sannsynligheten for feil, er det den eneste måten å gjennomføre en årlig masseundersøkelse av befolkningen. Metoden er ikke farlig og krever ikke fjerning av den mottatte stråledosen fra kroppen.
Radiografi er produksjon av et sammendragsbilde på film eller papir for å tydeliggjøre formen til et organ, dets posisjon eller tone. Kan brukes til å vurdere peristaltikk og tilstanden til slimhinner. Hvis det er et valg, bør man blant moderne røntgenapparater verken foretrekke digitale enheter, der røntgenfluksen kan være høyere enn for gamle enheter, men til lavdose røntgenapparater med direkte flat halvlederdetektorer. De lar deg redusere belastningen på kroppen med 4 ganger.
Computerrøntgentomografi er en teknikk som bruker røntgenstråler for å få det nødvendige antallet bilder av deler av et valgt organ. Blant de mange variantene av moderne CT-enheter, brukes lavdose høyoppløselige datatomografier for en rekke gjentatte studier.

Strålebehandling

Røntgenterapi er en lokal behandlingsmetode. Oftest brukes metoden for å ødelegge kreftceller. Siden effekten er sammenlignbar med kirurgisk fjerning, kalles denne behandlingsmetoden ofte radiokirurgi.

I dag utføres røntgenbehandling på følgende måter:

Ekstern (protonterapi) - en strålestråle kommer inn i pasientens kropp fra utsiden.
Intern (brachyterapi) - bruk av radioaktive kapsler ved å implantere dem i kroppen, plassere dem nærmere kreftsvulsten. Ulempen med denne behandlingsmetoden er at inntil kapselen er fjernet fra kroppen, må pasienten isoleres.

Disse metodene er skånsomme, og bruken av dem er å foretrekke fremfor kjemoterapi i noen tilfeller. Denne populariteten skyldes det faktum at strålene ikke akkumuleres og ikke krever fjerning fra kroppen; de har en selektiv effekt, uten å påvirke andre celler og vev.

Sikker eksponeringsgrense for røntgenstråler

Denne indikatoren på normen for tillatt årlig eksponering har sitt eget navn - genetisk signifikant ekvivalent dose (GSD). Denne indikatoren har ikke klare kvantitative verdier.

Denne indikatoren avhenger av pasientens alder og ønske om å få barn i fremtiden.
Avhenger av hvilke organer som ble undersøkt eller behandlet.
GZD er påvirket av nivået av naturlig radioaktiv bakgrunn i regionen der en person bor.

I dag er følgende gjennomsnittlige GZD-standarder i kraft:

eksponeringsnivået fra alle kilder, med unntak av medisinske, og uten å ta hensyn til naturlig bakgrunnsstråling - 167 mrem per år;
normen for en årlig medisinsk undersøkelse er ikke høyere enn 100 mrem per år;
den totale sikkerhetsverdien er 392 mrem per år.

Røntgenstråling krever ikke fjerning fra kroppen, og er kun farlig ved intens og langvarig eksponering. Moderne medisinsk utstyr bruker lavenergibestråling av kort varighet, så bruken anses som relativt ufarlig.

Moderne medisin bruker mange leger for diagnose og terapi. Noen av dem har blitt brukt relativt nylig, mens andre har vært praktisert i dusinvis eller til og med hundrevis av år. Også for hundre og ti år siden oppdaget William Conrad Roentgen fantastiske røntgenstråler, som forårsaket betydelig resonans i den vitenskapelige og medisinske verden. Og nå bruker leger over hele verden dem i sin praksis. Temaet for samtalen vår i dag vil være røntgenstråler i medisin; vi vil diskutere bruken av dem litt mer detaljert.

Røntgenstråler er en type elektromagnetisk stråling. De er preget av betydelige penetrerende egenskaper, som avhenger av bølgelengden til strålingen, samt av tettheten og tykkelsen til de bestrålte materialene. I tillegg kan røntgenstråler få en rekke stoffer til å gløde, påvirke levende organismer, ionisere atomer og også katalysere noen fotokjemiske reaksjoner.

Anvendelse av røntgenstråler i medisin

I dag tillater egenskapene til røntgenstråler dem å bli mye brukt i røntgendiagnostikk og røntgenterapi.

Røntgendiagnostikk

Røntgendiagnostikk brukes når du utfører:

røntgen (radioskopi);
- radiografi (bilde);
- fluorografi;
- Røntgen og datatomografi.

Røntgen

For å gjennomføre en slik studie må pasienten plassere seg mellom røntgenrøret og en spesiell fluorescerende skjerm. En spesialist radiolog velger den nødvendige stivheten til røntgenstrålene, og får på skjermen et bilde av de indre organene, så vel som ribbeina.

Radiografi

For å gjennomføre denne studien plasseres pasienten på en kassett som inneholder en spesiell fotografisk film. Røntgenmaskinen plasseres rett over objektet. Som et resultat vises et negativt bilde av de indre organene på filmen, som inneholder en rekke små detaljer, mer detaljert enn under en fluoroskopisk undersøkelse.

Fluorografi

Denne studien er utført under massemedisinske undersøkelser av befolkningen, inkludert for å oppdage tuberkulose. I dette tilfellet projiseres et bilde fra en stor skjerm på en spesiell film.

Tomografi

Når du utfører tomografi, hjelper datastråler med å få bilder av organer flere steder samtidig: i spesielt utvalgte tverrsnitt av vev. Denne serien med røntgenstråler kalles et tomogram.

Datamaskin tomogram

Denne studien lar deg ta opp deler av menneskekroppen ved hjelp av en røntgenskanner. Etterpå legges dataene inn i en datamaskin, noe som resulterer i ett tverrsnittsbilde.

Hver av de listede diagnostiske metodene er basert på egenskapene til en røntgenstråle for å belyse fotografisk film, så vel som på det faktum at menneskelige vev og bein er forskjellige i forskjellig permeabilitet for deres effekter.

Røntgenterapi

Røntgenstrålenes evne til å påvirke vev på en spesiell måte brukes til å behandle svulstdannelser. Dessuten er de ioniserende egenskapene til denne strålingen spesielt merkbare når de påvirker celler som er i stand til rask deling. Det er nettopp disse egenskapene som skiller cellene i ondartede onkologiske formasjoner.

Det er imidlertid verdt å merke seg at røntgenbehandling kan gi mange alvorlige bivirkninger. Denne effekten har en aggressiv effekt på tilstanden til det hematopoetiske, endokrine og immunsystemet, hvis celler også deler seg veldig raskt. Aggressiv påvirkning på dem kan forårsake tegn på strålesyke.

Effekten av røntgenstråling på mennesker

Mens de studerte røntgenstråler, fant leger at de kan føre til endringer i huden som ligner en solbrenthet, men er ledsaget av dypere skade på huden. Slike sårdannelser tar ekstremt lang tid å lege. Forskere har funnet ut at slike skader kan unngås ved å redusere tiden og dosen av stråling, samt bruke spesiell skjerming og teknikker. fjernkontroll.

De aggressive effektene av røntgenstråler kan også manifestere seg på lang sikt: midlertidige eller permanente endringer i blodets sammensetning, mottakelighet for leukemi og tidlig aldring.

Effekten av røntgenstråler på en person avhenger av mange faktorer: hvilket organ som blir bestrålt og hvor lenge. Bestråling av de hematopoietiske organene kan føre til blodsykdommer, og eksponering for kjønnsorganene kan føre til infertilitet.

Å utføre systematisk bestråling er full av utvikling av genetiske endringer i kroppen.

Den virkelige skaden av røntgenstråler i røntgendiagnostikk

Når de utfører en undersøkelse, bruker leger minst mulig antall røntgenbilder. Alle stråledoser oppfyller visse akseptable standarder og kan ikke skade en person. Røntgendiagnostikk utgjør en betydelig fare bare for legene som utfører dem. Og så moderne metoder beskyttelse bidrar til å redusere angrep av stråler til et minimum.

De sikreste metodene for røntgendiagnostikk inkluderer radiografi av ekstremitetene, samt tannrøntgen. Neste plass i denne rangeringen er mammografi, etterfulgt av computertomografi, og deretter radiografi.

For at bruken av røntgenstråler i medisin bare skal gi fordeler for mennesker, er det nødvendig å forske med deres hjelp bare når det er indikert.

I studiet og praktisk bruk av atomfenomener spiller røntgenstråler en av de viktigste rollene. Takket være deres forskning ble det gjort mange funn og utviklet metoder for å analysere stoffer, brukt på en rekke felt. Her skal vi se på én type røntgenstråler – karakteristiske røntgenstråler.

Røntgenstrålers natur og egenskaper

Røntgenstråling er en høyfrekvent endring i tilstanden til det elektromagnetiske feltet, som forplanter seg i verdensrommet med en hastighet på omtrent 300 000 km/s, det vil si elektromagnetiske bølger. På skalaen til elektromagnetisk stråling er røntgenstråler lokalisert i bølgelengdeområdet fra omtrent 10 -8 til 5∙10 -12 meter, som er flere størrelsesordener kortere enn optiske bølger. Dette tilsvarer frekvenser fra 3∙10 16 til 6∙10 19 Hz og energier fra 10 eV til 250 keV, eller 1,6∙10 -18 til 4∙10 -14 J. Det skal bemerkes at grensene for frekvensområdene til elektromagnetisk stråling er ganske vilkårlig på grunn av deres overlapping.

Er samspillet mellom akselererte ladede partikler (høyenergielektroner) med elektriske og magnetiske felt og med materieatomer.

Røntgenfotoner er preget av høye energier og høy penetrerende og ioniserende kraft, spesielt for harde røntgenstråler med bølgelengder mindre enn 1 nanometer (10 -9 m).

Røntgenstråler samhandler med materie, ioniserer dens atomer, i prosessene med fotoelektrisk effekt (fotoabsorpsjon) og usammenhengende (Compton) spredning. Ved fotoabsorpsjon overfører et røntgenfoton, absorbert av et elektron fra et atom, energi til det. Hvis verdien overstiger bindingsenergien til et elektron i et atom, forlater det atomet. Comptonspredning er karakteristisk for hardere (energiske) røntgenfotoner. En del av energien til det absorberte fotonet brukes på ionisering; i dette tilfellet, i en viss vinkel til retningen til det primære fotonet, sendes det ut en sekundær, med en lavere frekvens.

Typer røntgenstråling. Bremsstrahlung

For å produsere bjelker, brukes glassvakuumsylindere med elektroder plassert inne. Potensialforskjellen over elektrodene må være veldig høy - opptil hundrevis av kilovolt. Termionisk utslipp skjer på wolframkatoden, oppvarmet av strøm, det vil si at elektroner sendes ut fra den, som, akselerert av potensialforskjellen, bombarderer anoden. Som et resultat av deres interaksjon med atomene i anoden (noen ganger kalt antikatoden), blir røntgenfotoner født.

Avhengig av hvilken prosess som fører til dannelsen av et foton, skilles typer røntgenstråling: bremsstrahlung og karakteristisk.

Elektroner kan i møte med anoden bremses, det vil si tape energi inn elektriske felt dets atomer. Denne energien sendes ut i form av røntgenfotoner. Denne typen stråling kalles bremsstrahlung.

Det er klart at bremseforholdene vil variere for individuelle elektroner. Dette betyr at forskjellige mengder av deres kinetiske energi omdannes til røntgenstråler. Som et resultat inkluderer bremsstrahlung fotoner med forskjellige frekvenser og følgelig bølgelengder. Derfor er spekteret kontinuerlig (kontinuerlig). Noen ganger av denne grunn kalles det også "hvit" røntgenstråling.

Energien til et bremsstrahlung-foton kan ikke overstige den kinetiske energien til elektronet som genererer det, så den maksimale frekvensen (og korteste bølgelengden) til bremsstrahlung-stråling tilsvarer den høyeste verdien av den kinetiske energien til elektroner som faller inn på anoden. Sistnevnte avhenger av potensialforskjellen påført elektrodene.

Det er en annen type røntgenstråling, hvis kilde er en annen prosess. Denne strålingen kalles karakteristisk stråling, og vi vil dvele mer ved den.

Hvordan oppstår karakteristisk røntgenstråling?

Etter å ha nådd anti-katoden, kan et raskt elektron trenge inn i atomet og slå ut et elektron fra en av de nedre orbitalene, det vil si overføre energi som er tilstrekkelig til å overvinne potensialbarrieren. Men hvis det er høyere energinivåer i atomet okkupert av elektroner, vil ikke det ledige rommet forbli tomt.

Det må huskes at den elektroniske strukturen til atomet, som ethvert energisystem, har en tendens til å minimere energi. Den ledige stillingen som dannes som et resultat av knock-out fylles med et elektron fra et av de høyere nivåene. Dens energi er høyere, og på et lavere nivå sender den ut overskuddet i form av et kvantum av karakteristisk røntgenstråling.

Den elektroniske strukturen til et atom er et diskret sett av mulige energitilstander for elektroner. Derfor kan røntgenfotoner som sendes ut under utskifting av ledige elektroner også bare ha strengt definerte energiverdier, noe som gjenspeiler forskjellen i nivåer. Som et resultat har den karakteristiske røntgenstrålingen et spektrum som ikke er kontinuerlig, men linjeformet. Dette spekteret gjør det mulig å karakterisere substansen til anoden - derav navnet på disse strålene. Det er takket være de spektrale forskjellene at det er tydelig hva som menes med bremsstrahlung og karakteristisk røntgenstråling.

Noen ganger sendes ikke overskuddsenergien ut av atomet, men brukes på å slå ut det tredje elektronet. Denne prosessen - den såkalte Auger-effekten - er mer sannsynlig at den oppstår når elektronbindingsenergien ikke overstiger 1 keV. Energien til det frigjorte Auger-elektronet avhenger av strukturen til energinivåene til atomet, derfor er spektrene til slike elektroner også diskrete i naturen.

Generelt syn på det karakteristiske spekteret

Smale karakteristiske linjer er tilstede i røntgenspektralbildet sammen med et kontinuerlig bremsstrahlung-spektrum. Hvis vi forestiller oss spekteret som en graf over intensitet versus bølgelengde (frekvens), vil vi se skarpe topper ved plasseringen av linjene. Deres plassering avhenger av anodematerialet. Disse maksima er tilstede ved enhver potensiell forskjell - hvis det er røntgenstråler, er det alltid topper også. Når spenningen på rørelektrodene øker, øker intensiteten av både kontinuerlig og karakteristisk røntgenstråling, men plasseringen av toppene og forholdet mellom deres intensiteter endres ikke.

Toppene i røntgenspektrene har samme utseende uavhengig av materialet i antikatoden som er bestrålt av elektroner, men for forskjellige materialer er de plassert ved forskjellige frekvenser, og forenes i serie basert på frekvensverdienes nærhet. Mellom seriene selv er forskjellen i frekvenser mye mer betydelig. Typen av maksima avhenger ikke på noen måte av om anodematerialet er et rent kjemisk grunnstoff eller et komplekst stoff. I det siste tilfellet er de karakteristiske røntgenspektrene til dets bestanddeler ganske enkelt lagt over hverandre.

Når atomnummeret til et kjemisk element øker, skifter alle linjer i røntgenspekteret mot høyere frekvenser. Spekteret beholder sitt utseende.

Moseleys lov

Fenomenet med spektralforskyvning av karakteristiske linjer ble eksperimentelt oppdaget av den engelske fysikeren Henry Moseley i 1913. Dette tillot ham å koble frekvensene til spektrummaksima med serienumrene til kjemiske elementer. Dermed kan bølgelengden til karakteristisk røntgenstråling, som det viste seg, være tydelig korrelert med et spesifikt element. Generelt kan Moseleys lov skrives som følger: √f = (Z - S n)/n√R, hvor f er frekvensen, Z er serienummeret til elementet, S n er skjermingskonstanten, n er hovedkvantenummer og R er konstanten Rydberg. Denne avhengigheten er lineær og ser på Moseley-diagrammet ut som en rekke rette linjer for hver verdi av n.

n-verdiene tilsvarer individuelle serier med karakteristiske røntgenstrålingstopper. Moseleys lov gjør det mulig å bestemme serienummeret til et kjemisk grunnstoff bestrålt av harde elektroner basert på de målte bølgelengdene (de er unikt relatert til frekvensene) til maksima til røntgenspekteret.

Strukturen til de elektroniske skallene til kjemiske elementer er identisk. Dette er indikert av monotonisiteten til skiftendringen i det karakteristiske spekteret av røntgenstråling. Frekvensskiftet reflekterer ikke strukturelle, men energiforskjeller mellom elektronskall, unike for hvert element.

Rollen til Moseleys lov i atomfysikk

Det er små avvik fra det strenge lineære forholdet uttrykt av Moseleys lov. De er for det første assosiert med særegenhetene ved rekkefølgen for å fylle elektronskallene til noen elementer, og for det andre med de relativistiske effektene av bevegelsen av elektroner til tunge atomer. I tillegg, når antallet nøytroner i kjernen endres (det såkalte isotopiske skiftet), kan posisjonen til linjene endres litt. Denne effekten gjorde det mulig å studere atomstrukturen i detalj.

Betydningen av Moseleys lov er ekstremt stor. Bruker den sekvensielt på elementer periodiske tabell Mendeleev etablerte et mønster for å øke ordenstallet som tilsvarer hvert lite skifte i de karakteristiske maksima. Dette bidro til å avklare spørsmålet om den fysiske betydningen av ordinært antall elementer. Z-verdien er ikke bare et tall: det er den positive elektriske ladningen til kjernen, som er summen av enhetens positive ladninger til partiklene som utgjør dens sammensetning. Riktig plassering av elementer i tabellen og tilstedeværelsen av tomme posisjoner i den (de eksisterte fortsatt da) fikk kraftig bekreftelse. Gyldigheten av den periodiske loven ble bevist.

Moseleys lov ble i tillegg grunnlaget for en hel retning av eksperimentell forskning - røntgenspektrometri.

Strukturen til elektronskallene til et atom

La oss kort huske hvordan elektronstrukturen er bygget opp: Den består av skall betegnet med bokstavene K, L, M, N, O, P, Q eller tall fra 1 til 7. Elektroner i skallet er karakterisert av samme hovedkvante. nummer n, som bestemmer de mulige energiverdiene. I de ytre skallene er elektronenergien høyere, og ioniseringspotensialet for de ytre elektronene er tilsvarende lavere.

Skallet inkluderer ett eller flere undernivåer: s, p, d, f, g, h, i. I hvert skall øker antallet undernivåer med én sammenlignet med den forrige. Antall elektroner i hvert undernivå og i hvert skall kan ikke overstige en viss verdi. De er karakterisert, i tillegg til hovedkvantetallet, av den samme verdien av den orbitale elektronskyen som bestemmer formen. Undernivåer er utpekt av skallet de tilhører, for eksempel 2s, 4d og så videre.

Undernivået inneholder som er spesifisert, i tillegg til de viktigste og orbitale, av et annet kvantenummer - magnetisk, som bestemmer projeksjonen av elektronets orbitale momentum i retningen til magnetfeltet. En orbital kan ikke ha mer enn to elektroner, forskjellig i verdien av det fjerde kvantenummeret - spinn.

La oss vurdere mer detaljert hvordan karakteristisk røntgenstråling oppstår. Siden opprinnelsen til denne typen elektromagnetisk emisjon er assosiert med fenomener som forekommer inne i atomet, er det mest praktisk å beskrive det nøyaktig i tilnærmingen elektroniske konfigurasjoner.

Mekanisme for å generere karakteristisk røntgenstråling

Så årsaken til denne strålingen er dannelsen av ledige elektroner i de indre skallene, forårsaket av penetrering av høyenergielektroner dypt inn i atomet. Sannsynligheten for at et hardt elektron vil samhandle øker med tettheten til elektronskyene. Derfor er det mest sannsynlig at kollisjoner oppstår innenfor tettpakkede indre skall, for eksempel det laveste K-skallet. Her ioniseres atomet og det dannes en ledig plass i 1s-skallet.

Denne ledigheten fylles av et elektron fra skallet med høyere energi, hvis overskudd blir ført bort av røntgenfotonet. Dette elektronet kan "falle" fra det andre skallet L, fra det tredje skallet M, og så videre. Slik dannes en karakteristisk serie, i dette eksemplet K-serien. En indikasjon på hvor elektronet som fyller den ledige stillingen kommer fra, er gitt i form av en gresk indeks i seriebetegnelsen. "Alpha" betyr at det kommer fra L-skallet, "beta" betyr at det kommer fra M-skallet. For tiden er det en tendens til å erstatte de greske bokstavindeksene med de latinske som brukes for å betegne skjell.

Intensiteten til alfalinjen i serien er alltid den høyeste - dette betyr at sannsynligheten for å fylle en ledig stilling fra et naboskall er høyest.

Nå kan vi svare på spørsmålet, hva er den maksimale energien til et kvantum av karakteristisk røntgenstråling. Det bestemmes av forskjellen i energiverdiene til nivåene som elektronovergangen skjer mellom, i henhold til formelen E = E n 2 - E n 1, der E n 2 og E n 1 er energiene til den elektroniske stater overgangen skjedde mellom. Den høyeste verdien av denne parameteren er gitt av overganger i K-serien med maksimum høye nivåer atomer av tunge grunnstoffer. Men intensiteten til disse linjene (høyden på toppene) er den laveste, siden de er minst sannsynlige.

Hvis et hardt elektron på grunn av utilstrekkelig spenning ved elektrodene ikke kan nå K-nivået, danner det en ledighet på L-nivået, og det dannes en mindre energisk L-serie med lengre bølgelengder. Påfølgende serier er født på lignende måte.

I tillegg, når en ledig stilling fylles som følge av en elektronisk overgang, dukker det opp en ny stilling i det overliggende skallet. Dette skaper forutsetninger for å generere neste serie. Elektronvakanser beveger seg høyere fra nivå til nivå, og atomet sender ut en kaskade av karakteristiske spektralserier mens det forblir ionisert.

Fin struktur av karakteristiske spektre

Atomiske røntgenspektre av karakteristisk røntgenstråling er preget av en fin struktur, som, som i optiske spektre, uttrykkes i linjedeling.

Fin struktur skyldes at energinivået er elektronskall- er et sett med tett plasserte komponenter - subshells. For å karakterisere underskallene introduseres et annet internt kvantenummer j, som gjenspeiler samspillet mellom elektronets egne og orbitale magnetiske momenter.

På grunn av påvirkningen av spinn-bane-interaksjon blir energistrukturen til atomet mer kompleks, og som et resultat har den karakteristiske røntgenstrålingen et spektrum preget av splittede linjer med svært tettliggende elementer.

Elementer med fin struktur er vanligvis utpekt av ytterligere digitale indekser.

Karakteristisk røntgenstråling har en egenskap som kun reflekteres i den fine strukturen til spekteret. Overgangen av et elektron til et lavere energinivå skjer ikke fra det nedre underskallet til det høyere nivået. En slik hendelse har en ubetydelig sannsynlighet.

Bruk av røntgenstråler i spektrometri

Denne strålingen, på grunn av dens egenskaper beskrevet av Moseleys lov, ligger til grunn for ulike røntgenspektralmetoder for å analysere stoffer. Ved analyse av røntgenspekteret benyttes enten diffraksjon av stråling på krystaller (bølgespredningsmetode) eller detektorer som er følsomme for energien til absorberte røntgenfotoner (energispredningsmetode). De fleste elektronmikroskoper er utstyrt med en slags røntgenspektrometri-vedlegg.

Bølgespredningsspektrometri er spesielt nøyaktig. Ved hjelp av spesielle filtre fremheves de mest intense toppene i spekteret, noe som gjør det mulig å oppnå nesten monokromatisk stråling med en nøyaktig kjent frekvens. Anodematerialet er valgt svært nøye for å sikre at en monokromatisk stråle med ønsket frekvens oppnås. Dens diffraksjon ved krystallgitter av stoffet som studeres gjør at man kan studere gitterstrukturen med stor nøyaktighet. Denne metoden brukes også i studiet av DNA og andre komplekse molekyler.

En av egenskapene til karakteristisk røntgenstråling tas også i betraktning i gammaspektrometri. Dette er en karakteristisk topp med høy intensitet. Gammaspektrometre bruker blyskjerming mot ekstern bakgrunnsstråling som forstyrrer målinger. Men bly, som absorberer gammastråler, opplever intern ionisering, som et resultat av at det aktivt sender ut i røntgenområdet. For å absorbere de intense toppene av den karakteristiske røntgenstrålingen av bly, brukes ytterligere kadmiumskjerming. Den er på sin side ionisert og sender også ut røntgenstråler. For å nøytralisere de karakteristiske toppene av kadmium, brukes et tredje skjermingslag - kobber, hvis røntgenmaksima ligger utenfor driftsfrekvensområdet til gammaspektrometeret.

Spektrometri bruker både bremsstrahlung og karakteristiske røntgenstråler. Når man analyserer stoffer, studeres således absorpsjonsspektrene til kontinuerlige røntgenstråler av forskjellige stoffer.