Unter Röntgenstrahlung versteht man elektromagnetische Wellen mit einer Länge von etwa 80 bis 10 -5 nm. Die langwellige Röntgenstrahlung wird von kurzwelliger ultravioletter Strahlung überlagert, und kurzwellige Röntgenstrahlung wird von langwelliger γ-Strahlung überlagert. Basierend auf der Anregungsmethode wird Röntgenstrahlung in Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung unterteilt.
31.1. RÖNTGENRÖHRENGERÄT. Bremsstrahlung Röntgen
Die häufigste Röntgenstrahlungsquelle ist eine Röntgenröhre, bei der es sich um ein Zwei-Elektroden-Vakuumgerät handelt (Abb. 31.1). Beheizte Kathode 1 emittiert Elektronen 4. Anode 2, oft auch Antikathode genannt, hat eine geneigte Oberfläche, um die entstehende Röntgenstrahlung zu lenken 3 im Winkel zur Rohrachse. Die Anode besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, um die durch Elektronenstöße entstehende Wärme abzuleiten. Die Anodenoberfläche besteht aus feuerfesten Materialien mit einer großen Ordnungszahl im Periodensystem, beispielsweise Wolfram. In manchen Fällen wird die Anode speziell mit Wasser oder Öl gekühlt.
Bei Diagnoseröhren ist die Präzision der Röntgenquelle wichtig, die durch die Fokussierung der Elektronen an einer Stelle der Antikathode erreicht werden kann. Konstruktiv ist es daher notwendig, zwei gegensätzliche Aufgaben zu berücksichtigen: Einerseits müssen Elektronen auf eine Stelle der Anode fallen, andererseits ist es zur Vermeidung einer Überhitzung wünschenswert, Elektronen auf verschiedene Bereiche zu verteilen die Anode. Eine interessante technische Lösung ist eine Röntgenröhre mit rotierender Anode (Abb. 31.2).
Durch die Abbremsung eines Elektrons (oder eines anderen geladenen Teilchens) durch das elektrostatische Feld des Atomkerns und der Atomelektronen eines Stoffes entsteht eine Antikathode Bremsstrahlung Röntgenstrahlung.
Sein Mechanismus kann wie folgt erklärt werden. Mit einer bewegten elektrischen Ladung ist ein Magnetfeld verbunden, dessen Induktion von der Geschwindigkeit des Elektrons abhängt. Beim Bremsen nimmt das Magnetfeld ab
Induktion und gemäß Maxwells Theorie entsteht eine elektromagnetische Welle.
Beim Abbremsen von Elektronen wird nur ein Teil der Energie zur Erzeugung eines Röntgenphotons verwendet, der andere Teil wird für die Erwärmung der Anode aufgewendet. Da die Beziehung zwischen diesen Teilen zufällig ist, entsteht beim Abbremsen einer großen Anzahl von Elektronen ein kontinuierliches Spektrum der Röntgenstrahlung. In diesem Zusammenhang wird Bremsstrahlung auch als kontinuierliche Strahlung bezeichnet. In Abb. Abbildung 31.3 zeigt die Abhängigkeit des Röntgenflusses von der Wellenlänge λ (Spektren) bei verschiedenen Spannungen in der Röntgenröhre: U 1< U 2 < U 3 .
In jedem der Spektren ist Bremsstrahlung die kürzeste Wellenlänge λ ηίη tritt auf, wenn die von einem Elektron in einem Beschleunigungsfeld aufgenommene Energie vollständig in Photonenenergie umgewandelt wird:
Beachten Sie, dass basierend auf (31.2) eine der genauesten Methoden zur experimentellen Bestimmung der Planckschen Konstante entwickelt wurde.
Kurzwellige Röntgenstrahlen sind im Allgemeinen durchdringender als langwellige Röntgenstrahlen und werden aufgerufen hart, und Langwelle - weich.
Durch die Erhöhung der Spannung an der Röntgenröhre verändert sich die spektrale Zusammensetzung der Strahlung, wie aus Abb. 31.3 und Formeln (31.3) und erhöhen die Steifigkeit.
Wenn Sie die Glühfadentemperatur der Kathode erhöhen, erhöhen sich die Emission von Elektronen und der Strom in der Röhre. Dadurch erhöht sich die Anzahl der pro Sekunde emittierten Röntgenphotonen. Seine spektrale Zusammensetzung wird sich nicht ändern. In Abb. Abbildung 31.4 zeigt die Spektren der Röntgenbremsstrahlung bei gleicher Spannung, aber unterschiedlichen Kathodenheizströmen: / n1< / н2 .
Der Röntgenfluss wird nach folgender Formel berechnet:
Wo U Und ICH - Spannung und Strom in der Röntgenröhre; Z- Seriennummer des Atoms der Anodensubstanz; k- Proportionalitätskoeffizient. Von verschiedenen Antikathoden gleichzeitig aufgenommene Spektren U und I H sind in Abb. dargestellt. 31.5.
31.2. CHARAKTERISTISCHE RÖNTGENSTRAHLUNG. ATOMRÖNTGENSPEKTREN
Durch Erhöhen der Spannung an der Röntgenröhre kann man vor dem Hintergrund eines kontinuierlichen Spektrums das Auftreten eines Linienspektrums erkennen, das entspricht
charakteristische Röntgenstrahlung(Abb. 31.6). Sie entsteht dadurch, dass beschleunigte Elektronen tief in das Atom eindringen und Elektronen aus den inneren Schichten herausschlagen. Elektronen aus den oberen Ebenen wandern an freie Plätze (Abb. 31.7), wodurch Photonen charakteristischer Strahlung emittiert werden. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, besteht die charakteristische Röntgenstrahlung aus Reihen K, L, M usw., deren Name zur Bezeichnung der elektronischen Schichten diente. Da durch die Emission der K-Reihe Plätze in höheren Schichten frei werden, werden gleichzeitig auch Linien anderer Reihen emittiert.
Im Gegensatz zu optischen Spektren sind die charakteristischen Röntgenspektren verschiedener Atome vom gleichen Typ. In Abb. Abbildung 31.8 zeigt die Spektren verschiedener Elemente. Die Einheitlichkeit dieser Spektren beruht auf der Tatsache, dass die inneren Schichten verschiedener Atome identisch sind und sich nur energetisch unterscheiden, da die Kraftwirkung vom Kern mit zunehmender Ordnungszahl des Elements zunimmt. Dieser Umstand führt dazu, dass sich die charakteristischen Spektren mit zunehmender Kernladung zu höheren Frequenzen verschieben. Dieses Muster ist aus Abb. ersichtlich. 31,8 und ist bekannt als Moseleys Gesetz:
Wo v- Spektrallinienfrequenz; Z- Ordnungszahl des emittierenden Elements; A Und IN- dauerhaft.
Es gibt einen weiteren Unterschied zwischen optischen und Röntgenspektren.
Das charakteristische Röntgenspektrum eines Atoms hängt nicht von der chemischen Verbindung ab, in der dieses Atom enthalten ist. Beispielsweise ist das Röntgenspektrum des Sauerstoffatoms für O, O 2 und H 2 O gleich, während sich die optischen Spektren dieser Verbindungen deutlich unterscheiden. Dieses Merkmal des Röntgenspektrums des Atoms diente als Grundlage für den Namen charakteristisch.
Charakteristische Strahlung tritt immer dann auf, wenn in den inneren Schichten des Atoms freier Raum vorhanden ist, unabhängig von der Ursache, die sie verursacht hat. Beispielsweise geht eine der Arten des radioaktiven Zerfalls (siehe 32.1) mit charakteristischer Strahlung einher, bei der ein Elektron aus der inneren Schicht durch den Kern eingefangen wird.
31.3. WECHSELWIRKUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG MIT MATERIE
Die Registrierung und Nutzung von Röntgenstrahlung sowie ihre Wirkung auf biologische Objekte werden durch die primären Prozesse der Wechselwirkung des Röntgenphotons mit den Elektronen von Atomen und Molekülen der Substanz bestimmt.
Abhängig vom Energieverhältnis hv Photonen- und Ionisierungsenergie 1 A und es finden drei Hauptprozesse statt.
Kohärente (klassische) Streuung
Die Streuung langwelliger Röntgenstrahlung erfolgt im Wesentlichen ohne Änderung der Wellenlänge und wird als Streuung bezeichnet kohärent. Es tritt auf, wenn die Photonenenergie kleiner als die Ionisierungsenergie ist: hv< A und.
Da sich in diesem Fall die Energie des Röntgenphotons und des Atoms nicht ändert, verursacht die kohärente Streuung an sich keinen biologischen Effekt. Bei der Schaffung eines Schutzes gegen Röntgenstrahlung sollte jedoch die Möglichkeit einer Richtungsänderung des Primärstrahls berücksichtigt werden. Diese Art der Wechselwirkung ist wichtig für die Röntgenbeugungsanalyse (siehe 24.7).
Inkohärente Streuung (Compton-Effekt)
Im Jahr 1922 A.Kh. Compton beobachtete die Streuung harter Röntgenstrahlen und entdeckte eine Abnahme der Durchdringungskraft des gestreuten Strahls im Vergleich zum einfallenden Strahl. Dies bedeutete, dass die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlung länger war als die der einfallenden Röntgenstrahlung. Streuung von Röntgenstrahlen mit einer Änderung der Wellenlänge nennt man inkohärent nom, und das Phänomen selbst - Compton-Effekt. Es tritt auf, wenn die Energie des Röntgenphotons größer ist als die Ionisierungsenergie: hv > A und.
Dieses Phänomen ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei der Wechselwirkung mit einem Atom die Energie hv Photon wird für die Bildung eines neuen gestreuten Röntgenphotons mit Energie aufgewendet hv", ein Elektron aus einem Atom zu entfernen (Ionisierungsenergie A und) und dem Elektron kinetische Energie zu verleihen E an:
hv= hv" + A und + E k.(31.6)
1 Ionisierungsenergie bezieht sich hier auf die Energie, die erforderlich ist, um innere Elektronen aus einem Atom oder Molekül zu entfernen.
Da in vielen Fällen hv>> Und und der Compton-Effekt tritt bei freien Elektronen auf, dann können wir ungefähr schreiben:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Bezeichnend ist, dass bei diesem Phänomen (Abb. 31.9) zusammen mit sekundärer Röntgenstrahlung (Energie) hv" Photon) Rückstoßelektronen erscheinen (kinetische Energie). E k Elektron). Atome oder Moleküle werden dann zu Ionen.
Fotoeffekt
Beim photoelektrischen Effekt werden Röntgenstrahlen von einem Atom absorbiert, wodurch ein Elektron ausgestoßen und das Atom ionisiert wird (Photoionisierung).
Die drei oben diskutierten Hauptinteraktionsprozesse sind primär und führen zu nachfolgenden sekundären, tertiären usw. Phänomene. Beispielsweise können ionisierte Atome ein charakteristisches Spektrum aussenden, angeregte Atome können zu Quellen sichtbaren Lichts (Röntgenlumineszenz) werden usw.
In Abb. In Abb. 31.10 zeigt ein Diagramm möglicher Prozesse, die beim Eintritt von Röntgenstrahlung in einen Stoff ablaufen. Mehrere Dutzend ähnliche Prozesse wie der dargestellte können ablaufen, bevor die Energie des Röntgenphotons in die Energie der molekularen thermischen Bewegung umgewandelt wird. Dadurch kommt es zu Veränderungen in der molekularen Zusammensetzung des Stoffes.
Die im Diagramm in Abb. dargestellten Prozesse sind 31.10, bilden die Grundlage für die Phänomene, die bei der Einwirkung von Röntgenstrahlen auf Materie beobachtet werden. Lassen Sie uns einige davon auflisten.
Röntgenlumineszenz- Leuchten einer Reihe von Substanzen unter Röntgenbestrahlung. Dieses Leuchten von Platin-Synoxid-Barium ermöglichte es Röntgen, die Strahlen zu entdecken. Dieses Phänomen wird genutzt, um spezielle Leuchtschirme zur visuellen Beobachtung von Röntgenstrahlung zu schaffen, manchmal um die Wirkung von Röntgenstrahlen auf einer Fotoplatte zu verstärken.
Die chemischen Wirkungen von Röntgenstrahlung sind bekannt, beispielsweise die Bildung von Wasserstoffperoxid in Wasser. Ein praktisch wichtiges Beispiel ist der Effekt auf einer Fotoplatte, der die Aufzeichnung solcher Strahlen ermöglicht.
Die ionisierende Wirkung äußert sich in einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen. Diese Eigenschaft wird genutzt
in der Dosimetrie, um die Auswirkungen dieser Art von Strahlung zu quantifizieren.
Durch viele Prozesse wird der Primärstrahl der Röntgenstrahlung gemäß dem Gesetz (29.3) geschwächt. Schreiben wir es in der Form:
I = I 0 e-/", (31.8)
Wo μ – linearer Dämpfungskoeffizient. Es kann als aus drei Termen bestehend dargestellt werden, die der kohärenten Streuung μ κ, der inkohärenten μ ΗK und dem photoelektrischen Effekt μ entsprechen F:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)
Die Intensität der Röntgenstrahlung wird proportional zur Anzahl der Atome der Substanz, durch die dieser Fluss fließt, abgeschwächt. Wenn Sie einen Stoff entlang der Achse komprimieren X, zum Beispiel in B Mal, zunehmend um B seit seiner Dichte also
31.4. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER ANWENDUNG VON RÖNTGENSTRAHLUNG IN DER MEDIZIN
Eine der wichtigsten medizinischen Anwendungen von Röntgenstrahlen ist die Durchleuchtung innerer Organe zu diagnostischen Zwecken. (Röntgendiagnostik).
Zur Diagnostik werden Photonen mit einer Energie von etwa 60-120 keV verwendet. Bei dieser Energie wird der Massenschwächungskoeffizient hauptsächlich durch den photoelektrischen Effekt bestimmt. Sein Wert ist umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Photonenenergie (proportional zu λ 3), die die größere Durchdringungskraft harter Strahlung anzeigt, und proportional zur dritten Potenz der Ordnungszahl des absorbierenden Stoffes:
Der signifikante Unterschied in der Absorption von Röntgenstrahlung durch verschiedene Gewebe ermöglicht es, Bilder der inneren Organe des menschlichen Körpers in Schattenprojektion zu sehen.
Die Röntgendiagnostik wird in zwei Varianten eingesetzt: Durchleuchtung - das Bild wird auf einem Röntgenleuchtschirm betrachtet, Radiographie - Das Bild wird auf einem Fotofilm aufgezeichnet.
Wenn das zu untersuchende Organ und das umgebende Gewebe die Röntgenstrahlung etwa gleich stark abschwächen, kommen spezielle Kontrastmittel zum Einsatz. Wenn Sie beispielsweise Magen und Darm mit einer breiartigen Masse aus Bariumsulfat füllen, können Sie deren Schattenbild erkennen.
Die Helligkeit des Bildes auf dem Bildschirm und die Belichtungszeit auf dem Film hängen von der Intensität der Röntgenstrahlung ab. Wenn es zur Diagnostik eingesetzt wird, darf die Intensität nicht hoch sein, um keine unerwünschten biologischen Folgen zu verursachen. Daher gibt es eine Reihe technischer Geräte, die Bilder bei niedrigen Röntgenintensitäten verbessern. Ein Beispiel für ein solches Gerät sind elektrooptische Wandler (siehe 27.8). Bei Massenuntersuchungen der Bevölkerung wird häufig eine Variante der Radiographie eingesetzt – die Fluorographie, bei der ein Bild eines großen Röntgenleuchtschirms auf einem empfindlichen Kleinformatfilm aufgezeichnet wird. Bei der Aufnahme wird ein lichtstarkes Objektiv verwendet und die fertigen Bilder mit einer speziellen Lupe untersucht.
Eine interessante und vielversprechende Option für die Radiographie ist eine Methode namens Röntgentomographie, und seine „Maschinenversion“ - CT-Scan.
Betrachten wir diese Frage.
Eine typische Röntgenaufnahme deckt einen großen Bereich des Körpers ab, wobei verschiedene Organe und Gewebe einander verdecken. Dies lässt sich vermeiden, wenn man die Röntgenröhre periodisch gegenphasig zusammenbewegt (Abb. 31.11). RT und Fotofilm FP relativ zum Objekt Um Forschung. Der Körper enthält eine Reihe von Einschlüssen, die für Röntgenstrahlen undurchsichtig sind; sie sind in der Abbildung als Kreise dargestellt. Wie man sieht, werden Röntgenstrahlen an jeder Position der Röntgenröhre (1, 2 usw.) durchlaufen
Schneiden des gleichen Punktes des Objekts, der das Zentrum ist, relativ zu dem die periodische Bewegung auftritt RT Und Fp. Dieser Punkt bzw. ein kleiner undurchsichtiger Einschluss wird mit einem dunklen Kreis dargestellt. Sein Schattenbild bewegt sich mit FP, besetzen aufeinanderfolgende Positionen 1, 2 usw. Die restlichen Einschlüsse im Körper (Knochen, Verdichtungen etc.) entstehen weiter FP einige allgemeine Hintergrundinformationen, da Röntgenstrahlen nicht ständig von ihnen verdeckt werden. Durch Ändern der Position des Schwungzentrums können Sie ein schichtweises Röntgenbild des Körpers erhalten. Daher der Name - Tomographie(geschichtete Aufnahme).
Es ist möglich, mithilfe eines dünnen Röntgenstrahls einen Bildschirm (anstelle von) zu verwenden Fp), bestehend aus Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung (siehe 32.5) und einem Computer, verarbeiten das Schattenröntgenbild während der Tomographie. Diese moderne Version der Tomographie (Computer- oder Computerröntgentomographie) ermöglicht es Ihnen, schichtweise Bilder des Körpers auf einem Kathodenstrahlröhrenbildschirm oder auf Papier mit Details von weniger als 2 mm und einem Unterschied in der Röntgenabsorption zu erhalten von bis zu 0,1 %. Dadurch ist es beispielsweise möglich, zwischen der grauen und weißen Substanz des Gehirns zu unterscheiden und sehr kleine Tumorbildungen zu erkennen.
1. Quellen der Röntgenstrahlung.
2. Bremsstrahlung Röntgenstrahlung.
3. Charakteristische Röntgenstrahlung. Moseleys Gesetz.
4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie. Gesetz der Schwächung.
5. Physikalische Grundlagen des Einsatzes von Röntgenstrahlen in der Medizin.
6. Grundkonzepte und Formeln.
7. Aufgaben.
Röntgenstrahlung - elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 100 bis 10 -3 nm. Auf der Skala der elektromagnetischen Wellen liegt die Röntgenstrahlung im Bereich zwischen UV-Strahlung und γ - Strahlung. Röntgenstrahlen (Röntgenstrahlen) wurden 1895 von K. Röntgen entdeckt, der 1901 der erste Nobelpreisträger für Physik wurde.
32.1. Röntgenquellen
Natürliche Quellen für Röntgenstrahlung sind einige radioaktive Isotope (z. B. 55 Fe). Künstliche Quellen starker Röntgenstrahlung sind Röntgenröhren(Abb. 32.1).
Reis. 32.1. Röntgenröhrengerät
Die Röntgenröhre ist ein evakuierter Glaskolben mit zwei Elektroden: Anode A und Kathode K, zwischen denen eine Hochspannung U (1-500 kV) entsteht. Die Kathode ist eine durch elektrischen Strom erhitzte Spirale. Von einer beheizten Kathode emittierte Elektronen (thermionische Emission) werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt groß Geschwindigkeiten (deshalb ist Hochspannung erforderlich) und fallen auf die Anode der Röhre. Bei der Wechselwirkung dieser Elektronen mit der Anodensubstanz entstehen zwei Arten von Röntgenstrahlung: Bremsen Und charakteristisch.
Die Arbeitsfläche der Anode steht in einem bestimmten Winkel zur Richtung des Elektronenstrahls, um die gewünschte Richtung der Röntgenstrahlen zu erzeugen.
Etwa 1 % der kinetischen Energie von Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Der Rest der Energie wird als Wärme abgegeben. Daher besteht die Arbeitsfläche der Anode aus feuerfestem Material.
32.2. Bremsstrahlung Röntgenstrahlen
Ein Elektron, das sich in einem bestimmten Medium bewegt, verliert seine Geschwindigkeit. In diesem Fall tritt eine negative Beschleunigung auf. Nach Maxwells Theorie jeder beschleunigt Die Bewegung eines geladenen Teilchens wird von elektromagnetischer Strahlung begleitet. Die Strahlung, die entsteht, wenn ein Elektron in der Anodensubstanz abgebremst wird, nennt man Bremsstrahlung Röntgenstrahlung.
Die Eigenschaften der Bremsstrahlung werden durch folgende Faktoren bestimmt.
1. Strahlung wird von einzelnen Quanten emittiert, deren Energien durch die Formel (26.10) mit der Frequenz zusammenhängen.
wobei ν die Frequenz und λ die Wellenlänge ist.
2. Alle Elektronen, die die Anode erreichen, haben das gleiche kinetische Energie gleich der Arbeit des elektrischen Feldes zwischen Anode und Kathode:
Dabei ist e die Elektronenladung und U die Beschleunigungsspannung.
3. Die kinetische Energie des Elektrons wird teilweise auf die Substanz übertragen und erhitzt diese (Q) und wird teilweise für die Erzeugung eines Röntgenquants aufgewendet:
4. Zusammenhang zwischen Q und hv versehentlich.
Aufgrund der letzten Eigenschaft (4) werden Quanten erzeugt verschieden Elektronen, haben verschieden Frequenzen und Wellenlängen. Daher ist das Spektrum der Röntgenbremsstrahlung kontinuierlich. Typische Ansicht spektrale Dichte Der Röntgenfluss (Φ λ = άΦ/άλ) ist in Abb. dargestellt. 32.2.
Reis. 32.2. Bremsstrahlungs-Röntgenspektrum
Auf der langwelligen Seite ist das Spektrum auf eine Wellenlänge von 100 nm begrenzt, die die Grenze der Röntgenstrahlung darstellt. Auf der kurzwelligen Seite wird das Spektrum durch die Wellenlänge λ min begrenzt. Nach Formel (32.2) minimale Wellenlänge entspricht dem Fall Q = 0 (die kinetische Energie des Elektrons wird vollständig in Quantenenergie umgewandelt):
Berechnungen zeigen, dass der Fluss (Φ) von Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen direkt proportional zum Quadrat der Spannung U dazwischen ist
Anode und Kathode, Stromstärke I in der Röhre und Ordnungszahl Z des Anodenstoffes:
Die Röntgenspektren der Bremsstrahlung bei unterschiedlichen Spannungen, unterschiedlichen Kathodentemperaturen und unterschiedlichen Anodensubstanzen sind in Abb. dargestellt. 32.3.
Reis. 32.3. Bremsstrahlungs-Röntgenspektrum (Φ λ):
a - bei unterschiedlichen Spannungen U in der Röhre; b - bei verschiedenen Temperaturen T
Kathode; c – für verschiedene Anodenstoffe, die sich im Parameter Z unterscheiden
Mit steigender Anodenspannung steigt der Wert λ min verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen. Gleichzeitig nimmt die Höhe der Spektralkurve zu (Abb. 32.3, A).
Mit steigender Kathodentemperatur nimmt die Elektronenemission zu. Dementsprechend steigt der Strom I in der Röhre. Die Höhe der Spektralkurve nimmt zu, die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ändert sich jedoch nicht (Abb. 32.3, b).
Bei einer Änderung des Anodenmaterials ändert sich die Höhe der Spektralkurve proportional zur Ordnungszahl Z (Abb. 32.3, c).
32.3. Charakteristische Röntgenstrahlung. Moseleys Gesetz
Wenn Kathodenelektronen mit Anodenatomen interagieren, werden zusammen mit Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen Röntgenstrahlen erzeugt, deren Spektrum aus besteht separate Zeilen. Das ist Strahlung
hat folgenden Ursprung. Einige Kathodenelektronen dringen tief in das Atom ein und schlagen Elektronen aus ihm heraus. Innenschalen. Die dabei entstehenden Leerstellen werden mit Elektronen aus gefüllt Oberer, höher Granaten, wodurch Strahlungsquanten emittiert werden. Diese Strahlung enthält einen diskreten Satz von Frequenzen, die durch das Anodenmaterial bestimmt werden und aufgerufen werden charakteristische Strahlung. Das Vollspektrum der Röntgenröhre ist eine Überlagerung des charakteristischen Spektrums mit dem Bremsstrahlungsspektrum (Abb. 32.4).
Reis. 32.4. Strahlungsspektrum einer Röntgenröhre
Die Existenz charakteristischer Röntgenspektren wurde mithilfe von Röntgenröhren entdeckt. Später wurde festgestellt, dass solche Spektren durch jede Ionisierung der inneren Umlaufbahnen chemischer Elemente entstehen. Nach der Untersuchung der charakteristischen Spektren verschiedener chemischer Elemente stellte G. Moseley (1913) das folgende Gesetz auf, das seinen Namen trägt.
Die Quadratwurzel der Frequenz der charakteristischen Strahlung ist eine lineare Funktion der Seriennummer des Elements:
wobei ν die Frequenz der Spektrallinie ist, Z die Ordnungszahl des emittierenden Elements ist, A, B Konstanten sind.
Mit dem Moseley-Gesetz können Sie die Ordnungszahl eines chemischen Elements aus dem beobachteten Spektrum charakteristischer Strahlung bestimmen. Dies spielte eine große Rolle bei der Platzierung der Elemente im Periodensystem.
32.4. Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie. Gesetz der Dämpfung
Es gibt zwei Haupttypen der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie: Streuung und photoelektrischer Effekt. Bei der Streuung ändert sich die Bewegungsrichtung des Photons. Beim photoelektrischen Effekt handelt es sich um ein Photon absorbiert.
1. Kohärente (elastische) Streuung tritt auf, wenn die Energie des Röntgenphotons für die innere Ionisierung des Atoms (Herausschlagen eines Elektrons aus einer der inneren Schalen) nicht ausreicht. In diesem Fall ändert sich die Bewegungsrichtung des Photons, seine Energie und Wellenlänge ändern sich jedoch nicht (daher wird diese Streuung als Streuung bezeichnet). elastisch).
2. Inkohärente (Compton-)Streuung tritt auf, wenn die Photonenenergie viel größer ist als die interne Ionisierungsenergie A und: hv >> A und.
In diesem Fall wird das Elektron vom Atom getrennt und erhält eine bestimmte kinetische Energie E k. Die Bewegungsrichtung des Photons während der Compton-Streuung ändert sich und seine Energie nimmt ab:
Compton-Streuung ist mit der Ionisierung von Atomen einer Substanz verbunden.
3. Fotoeffekt tritt auf, wenn die Photonenenergie hv ausreicht, um das Atom zu ionisieren: hv > A u. Gleichzeitig das Röntgenquant absorbiert und seine Energie wird für die Ionisierung des Atoms und die Übertragung kinetischer Energie auf das ausgestoßene Elektron E k = hv – A I aufgewendet.
Compton-Streuung und photoelektrischer Effekt gehen mit charakteristischer Röntgenstrahlung einher, da nach dem Herausschlagen der inneren Elektronen die freien Stellen mit Elektronen aus den äußeren Schalen aufgefüllt werden.
Röntgenlumineszenz. In manchen Stoffen bewirken Elektronen und Quanten der Compton-Streuung sowie photoelektrische Effektelektronen eine Anregung von Molekülen, die mit Strahlungsübergängen in den Grundzustand einhergeht. Dadurch entsteht ein Leuchten, das Röntgenlumineszenz genannt wird. Die Lumineszenz von Bariumplatinoxid ermöglichte es Röntgen, Röntgenstrahlen zu entdecken.
Gesetz der Dämpfung
Die Streuung der Röntgenstrahlung und der photoelektrische Effekt führen dazu, dass bei tieferem Eindringen der Röntgenstrahlung der Primärstrahl geschwächt wird (Abb. 32.5). Die Abschwächung ist exponentiell:
Der Wert von μ hängt vom absorbierenden Material und dem Emissionsspektrum ab. Für praktische Berechnungen als Merkmal der Schwächung
Reis. 32.5. Abschwächung des Röntgenflusses in Richtung der einfallenden Strahlen
Wo λ
- Wellenlänge; Z ist die Ordnungszahl des Elements; k ist eine Konstante.
32.5. Physische Nutzungsgrundlage
Röntgenstrahlung in der Medizin
In der Medizin wird Röntgenstrahlung zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken eingesetzt.
Röntgendiagnostik- Methoden zur Aufnahme von Bildern innerer Organe mittels Röntgenstrahlen.
Die physikalische Grundlage dieser Methoden ist das Gesetz der Schwächung der Röntgenstrahlung in der Materie (32.10). Der Röntgenfluss ist nach dem Durchgang gleichmäßig über den Querschnitt verteilt heterogenes Gewebe wird heterogen werden. Diese Heterogenität kann auf einem Fotofilm, einem Fluoreszenzschirm oder mit einem Matrix-Fotodetektor aufgezeichnet werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Massenschwächungskoeffizienten von Knochengewebe – Ca 3 (PO 4) 2 – und Weichgewebe – hauptsächlich H 2 O – um das 68-fache (μ m Knochen / μ m Wasser = 68). Auch die Knochendichte ist höher als die Weichteildichte. Daher erzeugt eine Röntgenaufnahme ein helles Bild des Knochens vor einem dunkleren Hintergrund des Weichgewebes.
Wenn das untersuchte Organ und das umgebende Gewebe ähnliche Schwächungskoeffizienten aufweisen, dann ist dies etwas Besonderes Kontrastmittel. Beispielsweise nimmt der Proband bei der Durchleuchtung des Magens eine breiartige Masse aus Bariumsulfat (BaSO 4) auf, deren Massenschwächungskoeffizient 354-mal größer ist als der von Weichgewebe.
Zur Diagnostik wird Röntgenstrahlung mit einer Photonenenergie von 60-120 keV verwendet. In der medizinischen Praxis werden folgende röntgendiagnostische Verfahren eingesetzt.
1. Röntgen. Das Bild wird auf einem Fluoreszenzschirm erzeugt. Die Bildhelligkeit ist gering und kann nur in einem abgedunkelten Raum betrachtet werden. Der Arzt muss vor Strahlung geschützt werden.
Der Vorteil der Durchleuchtung besteht darin, dass sie in Echtzeit durchgeführt wird. Der Nachteil ist die hohe Strahlenbelastung für Patient und Arzt (im Vergleich zu anderen Methoden).
Die moderne Variante der Fluoroskopie – das Röntgenfernsehen – verwendet Röntgenbildverstärker. Der Verstärker nimmt das schwache Leuchten des Röntgenbildschirms wahr, verstärkt es und überträgt es an den Fernsehbildschirm. Dadurch verringerte sich die Strahlenbelastung des Arztes stark, die Helligkeit des Bildes nahm zu und es wurde möglich, die Untersuchungsergebnisse per Video aufzuzeichnen.
2. Radiographie. Das Bild wird auf einem speziellen Film erzeugt, der gegenüber Röntgenstrahlung empfindlich ist. Die Bilder werden in zwei zueinander senkrechten Projektionen (Vorderseite und Seite) aufgenommen. Das Bild wird nach der Fotobearbeitung sichtbar. Das fertig getrocknete Foto wird im Durchlicht untersucht.
Gleichzeitig werden Details zufriedenstellend sichtbar, deren Kontraste sich um 1-2 % unterscheiden.
In manchen Fällen erhält der Patient vor der Untersuchung eine Sonderuntersuchung Kontrastmittel. Zum Beispiel eine jodhaltige Lösung (intravenös) zur Untersuchung der Nieren und Harnwege.
Die Vorteile der Radiographie sind hohe Auflösung, kurze Belichtungszeit und nahezu vollständige Sicherheit für den Arzt. Zu den Nachteilen gehört die statische Natur des Bildes (das Objekt kann in der Dynamik nicht verfolgt werden).
3. Fluorographie. Bei dieser Untersuchung wird das auf dem Bildschirm gewonnene Bild auf einem empfindlichen Kleinformatfilm fotografiert. Die Fluorographie wird häufig bei Massenuntersuchungen der Bevölkerung eingesetzt. Werden im Fluorogramm pathologische Veränderungen festgestellt, wird dem Patienten eine genauere Untersuchung verordnet.
4. Elektroradiographie. Diese Art der Untersuchung unterscheidet sich vom herkömmlichen Röntgen durch die Art der Bildaufnahme. Anstelle von Film verwenden sie Selenplatte, welches durch Röntgenstrahlen elektrisiert wird. Das Ergebnis ist ein verstecktes Bild elektrischer Ladungen, das sichtbar gemacht und auf Papier übertragen werden kann.
5. Angiographie. Mit dieser Methode werden Blutgefäße untersucht. Über einen Katheter wird ein Kontrastmittel in die Vene injiziert, woraufhin ein leistungsstarkes Röntgengerät in Sekundenbruchteilen eine Reihe von Bildern aufnimmt. Abbildung 32.6 zeigt ein Angiogramm der Halsschlagader.
6. Röntgen-Computertomographie. Mit dieser Art der Röntgenuntersuchung können Sie ein Bild eines flachen Körperabschnitts mit einer Dicke von mehreren mm erhalten. Dabei wird ein bestimmter Ausschnitt wiederholt aus verschiedenen Winkeln abgetastet und jedes einzelne Bild im Computerspeicher aufgezeichnet. Dann
Reis. 32.6. Angiogramm zeigt eine Verengung der Halsschlagader
Reis. 32.7. Rastertomographie-Schema (a); Tomogramm des Kopfes im Schnitt auf Augenhöhe (b).
Es wird eine Computerrekonstruktion durchgeführt, deren Ergebnis ein Bild der gescannten Schicht ist (Abb. 32.7).
Die Computertomographie ermöglicht die Unterscheidung von Elementen mit einem Dichteunterschied von bis zu 1 %. Mit der konventionellen Radiographie lässt sich ein minimaler Dichteunterschied zwischen benachbarten Bereichen von 10–20 % feststellen.
Röntgentherapie - der Einsatz von Röntgenstrahlen zur Zerstörung bösartiger Tumore.
Die biologische Wirkung der Strahlung besteht darin, die lebenswichtige Aktivität besonders schnell vermehrender Zellen zu stören. Sehr harte Röntgenstrahlen (mit Photonenenergien von etwa 10 MeV) werden verwendet, um Krebszellen tief im Körper zu zerstören. Um Schäden am gesunden umliegenden Gewebe zu reduzieren, rotiert der Strahl um den Patienten, sodass immer nur der beschädigte Bereich unter seinem Einfluss bleibt.
32.6. Grundlegende Konzepte und Formeln
Fortsetzung der Tabelle
Ende der Tabelle
32.7. Aufgaben
1. Warum trifft ein Elektronenstrahl in medizinischen Röntgenröhren auf einen Punkt der Antikathode und fällt nicht in einem breiten Strahl darauf?
Antwort: um eine Punktquelle für Röntgenstrahlen zu erhalten, die scharfe Umrisse durchleuchteter Objekte auf dem Bildschirm liefert.
2. Finden Sie den Grenzwert der Röntgenbremsstrahlung (Frequenz und Wellenlänge) für die Spannungen U 1 = 2 kV und U 2 = 20 kV.
4.
Zum Schutz vor Röntgenstrahlung werden Bleiabschirmungen eingesetzt. Der lineare Absorptionskoeffizient der Röntgenstrahlung in Blei beträgt 52 cm -1. Wie dick sollte die Bleiabschirmschicht sein, um die Röntgenintensität um das 30-fache zu reduzieren?
5.
Finden Sie den Strahlungsfluss der Röntgenröhre bei U = 50 kV, I = 1 mA. Die Anode besteht aus Wolfram (Z = 74). Finden Sie die Effizienz der Röhre.
6.
Kontrastmittel werden zur Röntgendiagnostik von Weichteilen eingesetzt. Beispielsweise sind Magen und Darm mit einer Masse Bariumsulfat (BaSO 4) gefüllt. Vergleichen Sie die Massenschwächungskoeffizienten von Bariumsulfat und Weichgewebe (Wasser).
7. Was ergibt einen dichteren Schatten auf dem Bildschirm einer Röntgenanlage: Aluminium (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm3) oder die gleiche Kupferschicht (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm3)?
8.
Wie oft ist die Dicke der Aluminiumschicht größer als die Dicke der Kupferschicht, wenn die Schichten die Röntgenstrahlung gleichermaßen dämpfen?
Bei der Erforschung und praktischen Anwendung atomarer Phänomene spielen Röntgenstrahlen eine der wichtigsten Rollen. Dank ihrer Forschung wurden viele Entdeckungen gemacht und Methoden zur Analyse von Substanzen entwickelt, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Hier betrachten wir eine Art von Röntgenstrahlen – charakteristische Röntgenstrahlen.
Natur und Eigenschaften von Röntgenstrahlen
Röntgenstrahlung ist eine hochfrequente Zustandsänderung des elektromagnetischen Feldes, die sich im Weltraum mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 km/s ausbreitet, also elektromagnetische Wellen. Auf der Skala der elektromagnetischen Strahlung liegen Röntgenstrahlen im Wellenlängenbereich von etwa 10 -8 bis 5∙10 -12 Metern und sind damit mehrere Größenordnungen kürzer als optische Wellen. Dies entspricht Frequenzen von 3∙10 16 bis 6∙10 19 Hz und Energien von 10 eV bis 250 keV oder 1,6∙10 -18 bis 4∙10 -14 J. Es ist zu beachten, dass die Grenzen der Frequenzbereiche von elektromagnetische Strahlung sind aufgrund ihrer Überlappung recht willkürlich.
Ist die Wechselwirkung beschleunigter geladener Teilchen (Hochenergieelektronen) mit elektrischen und magnetischen Feldern sowie mit Materieatomen.
Röntgenphotonen zeichnen sich durch hohe Energien und hohe Durchdringungs- und Ionisierungskräfte aus, insbesondere für harte Röntgenstrahlen mit Wellenlängen unter 1 Nanometer (10 -9 m).
Röntgenstrahlen interagieren mit Materie und ionisieren ihre Atome in den Prozessen des photoelektrischen Effekts (Photoabsorption) und der inkohärenten (Compton) Streuung. Bei der Photoabsorption überträgt ein Röntgenphoton, das von einem Elektron eines Atoms absorbiert wird, Energie auf dieses. Übersteigt sein Wert die Bindungsenergie eines Elektrons in einem Atom, verlässt es das Atom. Compton-Streuung ist charakteristisch für härtere (energetische) Röntgenphotonen. Ein Teil der Energie des absorbierten Photons wird für die Ionisierung aufgewendet; in diesem Fall wird in einem bestimmten Winkel zur Richtung des Primärphotons ein Sekundärphoton mit einer niedrigeren Frequenz emittiert.
Arten von Röntgenstrahlung. Bremsstrahlung
Zur Erzeugung von Strahlen werden Glasvakuumzylinder mit darin befindlichen Elektroden verwendet. Der Potentialunterschied zwischen den Elektroden muss sehr hoch sein – bis zu Hunderten von Kilovolt. An der durch Strom erhitzten Wolframkathode kommt es zu thermionischer Emission, d. h. es werden Elektronen emittiert, die, beschleunigt durch die Potentialdifferenz, die Anode bombardieren. Durch ihre Wechselwirkung mit den Atomen der Anode (manchmal auch Antikathode genannt) entstehen Röntgenphotonen.
Je nachdem, welcher Prozess zur Entstehung eines Photons führt, werden Arten von Röntgenstrahlung unterschieden: Bremsstrahlung und charakteristische.
Elektronen können beim Auftreffen auf die Anode abgebremst werden, das heißt, sie verlieren Energie in den elektrischen Feldern ihrer Atome. Diese Energie wird in Form von Röntgenphotonen emittiert. Diese Art von Strahlung wird Bremsstrahlung genannt.
Es ist klar, dass die Bremsbedingungen für einzelne Elektronen unterschiedlich sein werden. Das bedeutet, dass unterschiedliche Mengen ihrer kinetischen Energie in Röntgenstrahlung umgewandelt werden. Infolgedessen umfasst Bremsstrahlung Photonen unterschiedlicher Frequenz und dementsprechend Wellenlänge. Daher ist sein Spektrum kontinuierlich (kontinuierlich). Aus diesem Grund wird es manchmal auch als „weiße“ Röntgenstrahlung bezeichnet.
Die Energie eines Bremsstrahlungsphotons kann die kinetische Energie des es erzeugenden Elektrons nicht überschreiten, daher entspricht die maximale Frequenz (und kürzeste Wellenlänge) der Bremsstrahlung dem höchsten Wert der kinetischen Energie der auf die Anode einfallenden Elektronen. Letzteres hängt von der an den Elektroden anliegenden Potentialdifferenz ab.
Es gibt eine andere Art von Röntgenstrahlung, deren Quelle ein anderer Prozess ist. Diese Strahlung wird charakteristische Strahlung genannt, und wir werden näher darauf eingehen.
Wie entsteht charakteristische Röntgenstrahlung?
Sobald ein schnelles Elektron die Antikathode erreicht hat, kann es in das Innere des Atoms eindringen und ein Elektron aus einem der unteren Orbitale herausschlagen, d. h. ihm Energie übertragen, die ausreicht, um die Potentialbarriere zu überwinden. Wenn jedoch in dem von Elektronen besetzten Atom höhere Energieniveaus vorhanden sind, bleibt der frei gewordene Raum nicht leer.
Man muss bedenken, dass die elektronische Struktur des Atoms, wie jedes Energiesystem, dazu neigt, die Energie zu minimieren. Die durch das Herausschlagen entstandene Lücke wird mit einem Elektron aus einem der höheren Niveaus aufgefüllt. Seine Energie ist höher und auf einem niedrigeren Niveau emittiert es den Überschuss in Form eines Quantums charakteristischer Röntgenstrahlung.
Die elektronische Struktur eines Atoms ist eine diskrete Menge möglicher Energiezustände von Elektronen. Daher können die beim Austausch von Elektronenlücken emittierten Röntgenphotonen auch nur streng definierte Energiewerte haben, die den Niveauunterschied widerspiegeln. Dadurch weist die charakteristische Röntgenstrahlung ein Spektrum auf, das nicht kontinuierlich, sondern linienförmig ist. Dieses Spektrum ermöglicht es, die Substanz der Anode zu charakterisieren – daher der Name dieser Strahlen. Dank der spektralen Unterschiede ist klar, was unter Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung zu verstehen ist.
Manchmal wird die überschüssige Energie nicht vom Atom abgegeben, sondern für das Herausschlagen des dritten Elektrons aufgewendet. Dieser Prozess – der sogenannte Auger-Effekt – tritt eher auf, wenn die Elektronenbindungsenergie 1 keV nicht überschreitet. Die Energie des freigesetzten Auger-Elektrons hängt von der Struktur der Energieniveaus des Atoms ab, daher sind auch die Spektren solcher Elektronen diskreter Natur.
Gesamtansicht des charakteristischen Spektrums
Im Röntgenspektralbild sind schmale charakteristische Linien sowie ein kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum vorhanden. Wenn wir uns das Spektrum als Diagramm der Intensität gegenüber der Wellenlänge (Frequenz) vorstellen, werden wir an den Stellen der Linien scharfe Spitzen sehen. Ihre Position hängt vom Anodenmaterial ab. Diese Maxima sind bei jeder Potentialdifferenz vorhanden – wenn Röntgenstrahlung vorhanden ist, gibt es immer auch Spitzen. Mit zunehmender Spannung an den Röhrenelektroden nimmt die Intensität sowohl der kontinuierlichen als auch der charakteristischen Röntgenstrahlung zu, die Lage der Peaks und das Verhältnis ihrer Intensitäten ändern sich jedoch nicht.
Die Peaks in den Röntgenspektren haben unabhängig vom Material der von Elektronen bestrahlten Antikathode das gleiche Aussehen, liegen jedoch bei unterschiedlichen Materialien bei unterschiedlichen Frequenzen und vereinigen sich aufgrund der Nähe der Frequenzwerte zu einer Reihe. Zwischen den Serien selbst ist der Frequenzunterschied viel größer. Die Art der Maxima hängt in keiner Weise davon ab, ob das Anodenmaterial ein reines chemisches Element oder ein komplexer Stoff ist. Im letzteren Fall überlagern sich einfach die charakteristischen Röntgenspektren seiner Bestandteile.
Mit zunehmender Ordnungszahl eines chemischen Elements verschieben sich alle Linien seines Röntgenspektrums zu höheren Frequenzen. Das Spektrum behält sein Aussehen.
Moseleys Gesetz
Das Phänomen der spektralen Verschiebung charakteristischer Linien wurde 1913 vom englischen Physiker Henry Moseley experimentell entdeckt. Dies ermöglichte ihm, die Frequenzen der Spektrumsmaxima mit den Seriennummern chemischer Elemente zu verknüpfen. Somit lässt sich die Wellenlänge der charakteristischen Röntgenstrahlung, wie sich herausstellte, eindeutig einem bestimmten Element zuordnen. Im Allgemeinen kann das Gesetz von Moseley wie folgt geschrieben werden: √f = (Z – S n)/n√R, wobei f die Frequenz, Z die Seriennummer des Elements, S n die Abschirmungskonstante und n ist Hauptquantenzahl und R ist die Rydberg-Konstante. Diese Abhängigkeit ist linear und sieht im Moseley-Diagramm für jeden Wert von n wie eine Reihe gerader Linien aus.
Die n-Werte entsprechen einzelnen Serien charakteristischer Röntgenemissionspeaks. Das Gesetz von Moseley ermöglicht es, die Seriennummer eines von harten Elektronen bestrahlten chemischen Elements anhand der gemessenen Wellenlängen (sie hängen eindeutig mit den Frequenzen zusammen) der Maxima des Röntgenspektrums zu bestimmen.
Der Aufbau der elektronischen Hüllen chemischer Elemente ist identisch. Dies wird durch die Monotonie der Verschiebungsänderung im charakteristischen Spektrum der Röntgenstrahlung angezeigt. Die Frequenzverschiebung spiegelt nicht strukturelle, sondern energetische Unterschiede zwischen Elektronenhüllen wider, die für jedes Element einzigartig sind.
Die Rolle des Moseley-Gesetzes in der Atomphysik
Es gibt geringfügige Abweichungen von der strengen linearen Beziehung, die im Moseley-Gesetz ausgedrückt wird. Sie hängen zum einen mit den Besonderheiten der Reihenfolge der Füllung der Elektronenhüllen einiger Elemente und zum anderen mit den relativistischen Effekten der Elektronenbewegung schwerer Atome zusammen. Wenn sich außerdem die Anzahl der Neutronen im Kern ändert (die sogenannte Isotopenverschiebung), kann sich die Position der Linien geringfügig ändern. Dieser Effekt ermöglichte es, die Atomstruktur im Detail zu untersuchen.
Die Bedeutung des Gesetzes von Moseley ist äußerst groß. Seine konsequente Anwendung auf die Elemente von Mendeleevs Periodensystem etablierte ein Muster der Erhöhung der Ordnungszahl entsprechend jeder kleinen Verschiebung der charakteristischen Maxima. Dies trug zur Klärung der Frage nach der physikalischen Bedeutung der Ordnungszahl der Elemente bei. Der Z-Wert ist nicht nur eine Zahl: Er ist die positive elektrische Ladung des Kerns, also die Summe der positiven Einheitsladungen der Teilchen, aus denen er besteht. Die korrekte Platzierung von Elementen in der Tabelle und das Vorhandensein leerer Positionen darin (die existierten damals noch) erhielten eine starke Bestätigung. Die Gültigkeit des periodischen Gesetzes wurde bewiesen.
Darüber hinaus wurde das Moseley-Gesetz zur Grundlage, auf der eine ganze Richtung der experimentellen Forschung entstand – die Röntgenspektrometrie.
Der Aufbau der Elektronenhüllen eines Atoms
Erinnern wir uns kurz daran, wie die Elektronenstruktur aufgebaut ist: Sie besteht aus Schalen, die mit den Buchstaben K, L, M, N, O, P, Q oder Zahlen von 1 bis 7 bezeichnet werden. Elektronen innerhalb der Schale werden durch das gleiche Hauptquantum charakterisiert Zahl n, die die möglichen Energiewerte bestimmt. In den Außenschalen ist die Elektronenenergie höher und das Ionisierungspotential für die Außenelektronen entsprechend geringer.
Die Schale umfasst eine oder mehrere Unterebenen: s, p, d, f, g, h, i. In jeder Hülle erhöht sich die Anzahl der Unterebenen im Vergleich zur vorherigen um eins. Die Anzahl der Elektronen in jeder Unterebene und in jeder Schale kann einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Sie zeichnen sich neben der Hauptquantenzahl durch den gleichen Wert der orbitalen Elektronenwolke aus, der die Form bestimmt. Unterebenen werden durch die Shell bezeichnet, zu der sie gehören, zum Beispiel 2s, 4d usw.
Die Unterebene enthält zusätzlich zu den Haupt- und Orbitalquanten eine weitere Quantenzahl – die magnetische, die die Projektion des Orbitalimpulses des Elektrons auf die Richtung des Magnetfelds bestimmt. Ein Orbital kann nicht mehr als zwei Elektronen haben, die sich im Wert der vierten Quantenzahl – dem Spin – unterscheiden.
Betrachten wir genauer, wie charakteristische Röntgenstrahlung entsteht. Da der Ursprung dieser Art elektromagnetischer Emission mit Phänomenen im Inneren des Atoms zusammenhängt, ist es am bequemsten, sie präzise durch die Annäherung an elektronische Konfigurationen zu beschreiben.
Mechanismus zur Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlung
Die Ursache dieser Strahlung ist also die Bildung von Elektronenleerstellen in den inneren Schalen, die durch das Eindringen energiereicher Elektronen tief in das Atom verursacht werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein hartes Elektron interagiert, steigt mit der Dichte der Elektronenwolken. Daher treten Kollisionen am wahrscheinlichsten innerhalb dicht gepackter Innenschalen auf, beispielsweise der untersten K-Schale. Dabei wird das Atom ionisiert und es entsteht eine Lücke in der 1s-Schale.
Diese Lücke wird durch ein Elektron aus der Hülle mit höherer Energie gefüllt, dessen Überschuss vom Röntgenphoton abtransportiert wird. Dieses Elektron kann von der zweiten Schale L, von der dritten Schale M usw. „fallen“. So entsteht eine charakteristische Reihe, in diesem Beispiel die K-Reihe. Einen Hinweis darauf, woher das Elektron stammt, das die Lücke füllt, ist ein griechischer Index in der Serienbezeichnung. „Alpha“ bedeutet, dass es aus der L-Shell stammt, „Beta“ bedeutet, dass es aus der M-Shell stammt. Derzeit besteht die Tendenz, die griechischen Buchstabenindizes durch die lateinischen zur Bezeichnung von Muscheln zu ersetzen.
Die Intensität der Alpha-Linie in der Reihe ist immer am höchsten – das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, eine freie Stelle aus einer benachbarten Hülle zu besetzen, am höchsten ist.
Jetzt können wir die Frage beantworten, was die maximale Energie eines Quants charakteristischer Röntgenstrahlung ist. Sie wird durch den Unterschied in den Energiewerten der Niveaus bestimmt, zwischen denen der Elektronenübergang stattfindet, gemäß der Formel E = E n 2 - E n 1, wobei E n 2 und E n 1 die Energien des Elektrons sind Zustände, zwischen denen der Übergang stattgefunden hat. Der höchste Wert dieses Parameters wird durch Übergänge der K-Reihe von den höchsten Atomniveaus schwerer Elemente erreicht. Aber die Intensität dieser Linien (die Höhe der Spitzen) ist am geringsten, da sie am unwahrscheinlichsten sind.
Wenn ein hartes Elektron aufgrund unzureichender Spannung an den Elektroden das K-Niveau nicht erreichen kann, bildet es eine Lücke auf dem L-Niveau und es entsteht eine weniger energiereiche L-Reihe mit längeren Wellenlängen. Nachfolgende Serien entstehen auf ähnliche Weise.
Darüber hinaus erscheint bei der Besetzung einer Stelle aufgrund einer elektronischen Übertragung eine neue Stelle in der darüber liegenden Hülle. Damit sind die Voraussetzungen für die Generierung der nächsten Serie geschaffen. Elektronenlücken wandern von Ebene zu Ebene höher und das Atom emittiert eine Kaskade charakteristischer Spektralreihen, während es ionisiert bleibt.
Feinstruktur charakteristischer Spektren
Atomröntgenspektren charakteristischer Röntgenstrahlung zeichnen sich durch eine Feinstruktur aus, die sich wie bei optischen Spektren in Linienaufspaltung äußert.
Die Feinstruktur beruht auf der Tatsache, dass das Energieniveau – die Elektronenhülle – aus einer Reihe eng beieinander liegender Komponenten – Unterschalen – besteht. Um die Unterschalen zu charakterisieren, wird eine weitere interne Quantenzahl j eingeführt, die die Wechselwirkung des eigenen und orbitalen magnetischen Moments des Elektrons widerspiegelt.
Durch den Einfluss der Spin-Bahn-Wechselwirkung wird die Energiestruktur des Atoms komplexer und die charakteristische Röntgenstrahlung weist dadurch ein Spektrum auf, das durch Spaltlinien mit sehr eng beieinander liegenden Elementen gekennzeichnet ist.
Elemente feiner Struktur werden üblicherweise durch zusätzliche digitale Indizes gekennzeichnet.
Charakteristische Röntgenstrahlung weist ein Merkmal auf, das sich nur in der Feinstruktur des Spektrums widerspiegelt. Der Übergang eines Elektrons auf ein niedrigeres Energieniveau erfolgt nicht von der unteren Unterschale des höheren Niveaus. Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses ist vernachlässigbar.
Verwendung von Röntgenstrahlen in der Spektrometrie
Aufgrund ihrer durch das Moseley-Gesetz beschriebenen Eigenschaften liegt diese Strahlung verschiedenen röntgenspektralen Methoden zur Analyse von Substanzen zugrunde. Bei der Analyse des Röntgenspektrums werden entweder Strahlungsbeugung an Kristallen (wellendispersive Methode) oder Detektoren verwendet, die auf die Energie absorbierter Röntgenphotonen reagieren (energiedispersive Methode). Die meisten Elektronenmikroskope sind mit Aufsätzen für die Röntgenspektrometrie ausgestattet.
Besonders genau ist die wellendispersive Spektrometrie. Mithilfe spezieller Filter werden die intensivsten Spitzen im Spektrum hervorgehoben, wodurch eine nahezu monochromatische Strahlung mit genau bekannter Frequenz erhalten werden kann. Das Anodenmaterial wird sehr sorgfältig ausgewählt, um sicherzustellen, dass ein monochromatischer Strahl der gewünschten Frequenz entsteht. Seine Beugung am Kristallgitter der untersuchten Substanz ermöglicht es, die Gitterstruktur mit großer Genauigkeit zu untersuchen. Diese Methode wird auch bei der Untersuchung von DNA und anderen komplexen Molekülen verwendet.
Eine Besonderheit der charakteristischen Röntgenstrahlung wird auch in der Gammaspektrometrie berücksichtigt. Dies ist ein charakteristischer Peak hoher Intensität. Gammaspektrometer verwenden eine Bleiabschirmung gegen externe Hintergrundstrahlung, die die Messungen stört. Aber Blei, das Gammastrahlen absorbiert, erfährt eine innere Ionisierung, wodurch es aktiv im Röntgenbereich emittiert. Um die intensiven Spitzen der charakteristischen Röntgenstrahlung von Blei zu absorbieren, wird eine zusätzliche Cadmiumabschirmung verwendet. Es ist wiederum ionisiert und sendet ebenfalls Röntgenstrahlung aus. Um die charakteristischen Cadmiumspitzen zu neutralisieren, wird eine dritte Abschirmschicht verwendet – Kupfer, deren Röntgenmaxima außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Gammaspektrometers liegen.
Die Spektrometrie nutzt sowohl Bremsstrahlung als auch charakteristische Röntgenstrahlung. Bei der Analyse von Stoffen werden daher die Absorptionsspektren kontinuierlicher Röntgenstrahlung verschiedener Stoffe untersucht.
1. Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung,
Haupteigenschaften und Merkmale.
Im Jahr 1895 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Röntgen erstmals das Leuchten eines Fluoreszenzschirms, das durch für das Auge unsichtbare Strahlung aus dem Glasabschnitt der Gasentladungsröhre gegenüber der Kathode verursacht wurde. Diese Art von Strahlung hatte die Fähigkeit, Substanzen zu durchdringen, die für sichtbares Licht undurchdringlich sind. Röntgen nannte sie Röntgenstrahlen und stellte die grundlegenden Eigenschaften fest, die ihren Einsatz in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik, einschließlich der Medizin, ermöglichen.
Röntgenstrahlung ist Strahlung mit einer Wellenlänge von 80-10 -5 nm. Langwellige Röntgenstrahlung überlagert kurzwellige UV-Strahlung, kurzwellige Strahlung überlagert langwellige g-Strahlung. In der Medizin wird Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von 10 bis 0,005 nm verwendet, was einer Photonenenergie von 10 2 EV bis 0,5 MeV entspricht. Röntgenstrahlung ist für das Auge unsichtbar, daher werden alle Beobachtungen damit mithilfe von Leuchtschirmen oder Fotofilmen durchgeführt, da sie Röntgenlumineszenz verursacht und eine photochemische Wirkung hat. Charakteristisch ist, dass die meisten Körper, die für optische Strahlung undurchdringlich sind, für Röntgenstrahlung, die Eigenschaften aufweist, die elektromagnetischen Wellen gemeinsam sind, weitgehend transparent sind. Aufgrund der kurzen Wellenlänge sind einige Eigenschaften jedoch schwer zu erkennen. Daher wurde die Wellennatur der Strahlung viel später als ihre Entdeckung festgestellt.
Aufgrund der Anregungsmethode wird Röntgenstrahlung in Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung unterteilt.
Bremsstrahlung Röntgenstrahlen entstehen durch die Abbremsung sich schnell bewegender Elektronen durch das elektrische Feld des Atoms (Kern und Elektronen) der Substanz, durch die sie fliegen. Der Mechanismus dieser Strahlung lässt sich damit erklären, dass jede bewegte Ladung einen Strom darstellt, um den herum ein Magnetfeld entsteht, dessen Induktion (B) von der Geschwindigkeit des Elektrons abhängt. Beim Bremsen nimmt die magnetische Induktion ab und gemäß Maxwells Theorie entsteht eine elektromagnetische Welle.
Beim Abbremsen von Elektronen wird nur ein Teil der Energie zur Erzeugung eines Röntgenphotons verwendet, der andere Teil wird für die Erwärmung der Anode aufgewendet. Die Frequenz (Wellenlänge) des Photons hängt von der anfänglichen kinetischen Energie des Elektrons und der Intensität seiner Verzögerung ab. Selbst wenn die anfängliche kinetische Energie gleich ist, sind die Verzögerungsbedingungen in der Substanz unterschiedlich, sodass die emittierten Photonen die unterschiedlichsten Energien und folglich Wellenlängen haben, d. h. das Röntgenspektrum wird kontinuierlich sein. Abbildung 1 zeigt das Spektrum der Röntgenbremsstrahlung bei verschiedenen Spannungen U 1
.
Wenn U in Kilovolt ausgedrückt wird und die Beziehung zwischen anderen Größen berücksichtigt wird, sieht die Formel wie folgt aus: l k = 1,24/U (nm) oder l k = 1,24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).
Aus den obigen Diagrammen lässt sich erkennen, dass die Wellenlänge l m, die die maximale Strahlungsenergie ausmacht, in einem konstanten Zusammenhang mit der Grenzwellenlänge l k steht:
.
Die Wellenlänge charakterisiert die Energie eines Photons, von der die Durchdringungsfähigkeit der Strahlung bei der Wechselwirkung mit Materie abhängt.
Kurzwellige Röntgenstrahlen haben meist eine hohe Durchdringungskraft und werden als hart bezeichnet, langwellige Röntgenstrahlen werden als weich bezeichnet. Wie aus der obigen Formel ersichtlich ist, ist die Wellenlänge, bei der die maximale Strahlungsenergie auftritt, umgekehrt proportional zur Spannung zwischen Anode und Kathode der Röhre. Durch die Erhöhung der Spannung an der Anode der Röntgenröhre verändert sich die spektrale Zusammensetzung der Strahlung und ihre Härte steigt.
Wenn sich die Glühfadenspannung ändert (die Glühfadentemperatur der Kathode ändert sich), ändert sich die Anzahl der von der Kathode pro Zeiteinheit emittierten Elektronen bzw. ändert sich dementsprechend die Stromstärke im Röhrenanodenkreis. Dabei ändert sich die Strahlungsleistung proportional zur ersten Potenz der Stromstärke. Die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ändert sich nicht.
Der Gesamtfluss (Leistung) der Strahlung, die Energieverteilung über Wellenlängen sowie die Spektralgrenze auf der Seite der kurzen Wellenlängen hängen von den folgenden drei Gründen ab: der Spannung U, die Elektronen beschleunigt und zwischen Anode und Kathode der Röhre angelegt wird ; die Anzahl der an der Strahlungsbildung beteiligten Elektronen, d.h. Röhrenfadenstrom; Ordnungszahl Z der Anodensubstanz, in der die Elektronenverzögerung auftritt.
Der Röntgen-Bremsstrahlungsfluss wird nach der Formel berechnet: , wobei 
,
Z-Ordnungszahl eines Stoffes (Ordnungszahl).
Durch Erhöhen der Spannung an der Röntgenröhre kann man das Auftreten einzelner Linien (Linienspektrum) vor dem Hintergrund kontinuierlicher Bremsstrahlung-Röntgenstrahlung erkennen, die der charakteristischen Röntgenstrahlung entspricht. Es entsteht beim Übergang von Elektronen zwischen den inneren Schalen der Atome einer Substanz (Schalen K, L, M). Der Liniencharakter des Spektrums der charakteristischen Strahlung entsteht dadurch, dass beschleunigte Elektronen tief in die Atome eindringen und Elektronen aus ihren inneren Schichten außerhalb des Atoms herausschlagen. Elektronen (Abb. 2) aus den oberen Schichten bewegen sich an freie Stellen, wodurch Röntgenphotonen mit einer Frequenz emittiert werden, die der Differenz der Übergangsenergieniveaus entspricht. Die Linien im Spektrum der charakteristischen Strahlung werden zu Reihen zusammengefasst, die den Übergängen von Elektronen mit einem höheren Niveau auf dem K-, L-, M-Niveau entsprechen.
Der äußere Einfluss, durch den das Elektron aus den inneren Schichten herausgeschlagen wird, muss ziemlich stark sein. Im Gegensatz zu optischen Spektren sind die charakteristischen Röntgenspektren verschiedener Atome vom gleichen Typ. Die Einheitlichkeit dieser Spektren beruht auf der Tatsache, dass die inneren Schichten verschiedener Atome identisch sind und sich nur in der Energie unterscheiden, weil Die Krafteinwirkung vom Kern nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Elements zu. Dies führt dazu, dass sich die charakteristischen Spektren mit zunehmender Kernladung zu höheren Frequenzen verschieben. Dieser Zusammenhang ist als Moseleys Gesetz bekannt: 
, wobei A und B Konstanten sind; Z-Ordnungszahl des Elements.
Es gibt einen weiteren Unterschied zwischen Röntgen- und optischen Spektren. Das charakteristische Spektrum eines Atoms hängt nicht von der chemischen Verbindung ab, in der das Atom enthalten ist. Beispielsweise ist das Röntgenspektrum des Sauerstoffatoms für O, O 2, H 2 O gleich, während sich die optischen Spektren dieser Verbindungen deutlich unterscheiden. Dieses Merkmal der Röntgenspektren von Atomen diente als Grundlage für den Namen „Charakteristik“.
Charakteristische Strahlung tritt immer dann auf, wenn in den inneren Schichten des Atoms freie Räume vorhanden sind, unabhängig von den Ursachen, die sie verursacht haben. Es geht beispielsweise mit einer Art radioaktivem Zerfall einher, bei dem ein Elektron aus der inneren Schicht durch den Kern eingefangen wird.
2. Anordnung von Röntgenröhren und Protozoen
Röntgengerät.
Die häufigste Röntgenstrahlungsquelle ist eine Röntgenröhre – ein Zwei-Elektroden-Vakuumgerät (Abb. 3). Es handelt sich um einen Glasballon (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) mit zwei Elektroden – Anode A und Kathode K, zwischen denen eine Hochspannung erzeugt wird. Die erhitzte Kathode (K) emittiert Elektronen. Anode A wird oft als Antikathode bezeichnet. Es verfügt über eine geneigte Oberfläche, um die entstehende Röntgenstrahlung schräg zur Röhrenachse zu richten. Die Anode besteht aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit (Kupfer), um die beim Auftreffen von Elektronen entstehende Wärme abzuleiten. Am abgeschrägten Ende der Anode befindet sich eine Platte 3 aus einem hochschmelzenden Metall (Wolfram) mit hoher Ordnungszahl, der sogenannte Anodenspiegel. In manchen Fällen wird die Anode speziell mit Wasser oder Öl gekühlt. Bei Diagnoseröhren ist die Präzision der Röntgenquelle wichtig, die durch die Fokussierung der Elektronen an einer Stelle auf der Anode erreicht werden kann. Konstruktiv ist es daher notwendig, zwei gegensätzliche Aufgaben zu berücksichtigen: Einerseits müssen Elektronen auf eine Stelle der Anode fallen, andererseits ist es zur Vermeidung einer Überhitzung wünschenswert, Elektronen auf verschiedene Bereiche zu verteilen die Anode. Aus diesem Grund werden einige Röntgenröhren mit einer rotierenden Anode hergestellt.
In einer Röhre jeglicher Bauart fallen Elektronen, beschleunigt durch die Spannung zwischen Anode und Kathode, auf den Anodenspiegel und dringen tief in die Substanz ein, interagieren mit Atomen und werden durch das Feld der Atome gehemmt. Dabei entsteht Bremsstrahlung, Röntgenstrahlung. Gleichzeitig mit der Bremsstrahlung entsteht ein geringer Anteil (mehrere Prozent) charakteristischer Strahlung. Nur 1-2 % der auf die Anode treffenden Elektronen verursachen Bremsstrahlung, der Rest ist ein thermischer Effekt. Zur Konzentration der Elektronen verfügt die Kathode über eine Führungskappe. Der Teil des Wolframspiegels, auf den der Hauptelektronenfluss fällt, wird als Brennpunkt der Röhre bezeichnet. Die Breite des Strahlungsbündels hängt von seiner Fläche (Fokusschärfe) ab.
Um die Röhre mit Strom zu versorgen, sind zwei Quellen erforderlich: eine Hochspannungsquelle für den Anodenkreis und eine Niederspannungsquelle (6–8 V) für den Glühlampenkreis. Beide Quellen müssen unabhängig voneinander reguliert werden. Durch Änderung der Anodenspannung wird die Härte der Röntgenstrahlung reguliert, durch Änderung des Glühfadens wird der Ausgangsstrom und damit die Strahlungsleistung reguliert.
Das grundlegende elektrische Diagramm eines einfachen Röntgengeräts ist in Abb. 4 dargestellt. Die Schaltung verfügt über zwei Transformatoren Tr.1 für Hochspannung und Tr.2 für die Glühlampenversorgung. Die Hochspannung an der Röhre wird durch den Spartransformator Tr.3 geregelt, der an die Primärwicklung des Transformators Tr.1 angeschlossen ist. Schalter K regelt die Windungszahl der Spartransformatorwicklung. In diesem Zusammenhang ändert sich auch die Spannung der Sekundärwicklung des Transformators, die der Anode der Röhre zugeführt wird, d.h. Härte ist einstellbar.
Der Heizstrom der Röhre wird durch einen Rheostat R geregelt, der an den Stromkreis der Primärwicklung des Transformators Tr.2 angeschlossen ist. Der Anodenstrom wird mit einem Milliamperemeter gemessen. Die den Elektroden der Röhre zugeführte Spannung wird mit einem Kilovoltmeter kV gemessen, oder die Spannung im Anodenkreis kann anhand der Stellung des Schalters K beurteilt werden. Die durch einen Rheostat geregelte Menge des Filamentstroms wird mit dem Amperemeter A gemessen. In der betrachteten Schaltung richtet die Röntgenröhre gleichzeitig eine hohe Wechselspannung gleich.
Es ist leicht zu erkennen, dass eine solche Röhre nur eine Halbwelle Wechselstrom aussendet. Folglich wird seine Leistung gering sein. Um die abgestrahlte Leistung zu erhöhen, verwenden viele Geräte Hochspannungs-Vollweg-Röntgengleichrichter. Zu diesem Zweck werden 4 spezielle Kenotrons verwendet, die in einer Brückenschaltung verbunden sind. In einer Diagonale der Brücke ist eine Röntgenröhre eingebaut.
3. Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie
(kohärente Streuung, inkohärente Streuung, photoelektrischer Effekt).
Wenn Röntgenstrahlung auf einen Körper fällt, wird sie in geringem Maße von diesem reflektiert, dringt aber überwiegend tief in den Körper ein. In der Masse des Körpers wird Strahlung teilweise absorbiert, teilweise gestreut und teilweise durchgelassen. Beim Durchgang durch den Körper interagieren Röntgenphotonen hauptsächlich mit den Elektronen von Atomen und Molekülen der Substanz. Die Registrierung und Nutzung von Röntgenstrahlung sowie ihre Wirkung auf biologische Objekte werden durch die primären Prozesse der Wechselwirkung des Röntgenphotons mit Elektronen bestimmt. Abhängig vom Verhältnis der Photonenenergie E und der Ionisierungsenergie A I laufen drei Hauptprozesse ab.
A) Kohärente Streuung.
Die Streuung langwelliger Röntgenstrahlung erfolgt im Wesentlichen ohne Änderung der Wellenlänge und wird als kohärent bezeichnet. Die Wechselwirkung eines Photons mit den Elektronen der inneren Schalen, die fest an den Kern gebunden sind, ändert nur seine Richtung, ohne seine Energie und damit die Wellenlänge zu ändern (Abb. 5).
Kohärente Streuung tritt auf, wenn die Photonenenergie kleiner als die Ionisierungsenergie ist: E = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.
B) Inkohärente Streuung (Compton-Effekt).
Im Jahr 1922 entdeckte A. Compton bei der Beobachtung der Streuung harter Röntgenstrahlen eine Abnahme der Durchdringungskraft des gestreuten Strahls im Vergleich zum einfallenden Strahl. Die Streuung von Röntgenstrahlung bei Wellenlängenänderungen wird Compton-Effekt genannt. Es tritt auf, wenn ein Photon beliebiger Energie mit den Elektronen der äußeren Hüllen von Atomen interagiert, die schwach an den Kern gebunden sind (Abb. 6). Ein Elektron wird aus einem Atom entfernt (solche Elektronen werden Rückstoßelektronen genannt). Die Energie des Photons nimmt ab (die Wellenlänge nimmt entsprechend zu) und auch die Richtung seiner Bewegung ändert sich. Der Compton-Effekt tritt auf, wenn die Energie des Röntgenphotons größer als die Ionisierungsenergie ist: , . In diesem Fall entstehen Rückstoßelektronen mit der kinetischen Energie E K. Atome und Moleküle werden zu Ionen. Wenn E K signifikant ist, können Elektronen benachbarte Atome durch Kollision ionisieren und neue (Sekundär-)Elektronen bilden.
V) Fotoeffekt.
Wenn die Photonenenergie hn ausreicht, um ein Elektron abzulösen, wird bei der Wechselwirkung mit einem Atom das Photon absorbiert und das Elektron von ihm getrennt. Dieses Phänomen wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Das Atom wird ionisiert (Photoionisation). In diesem Fall erhält das Elektron kinetische Energie und ggf 
ist von Bedeutung, es kann benachbarte Atome durch Kollision ionisieren und dabei neue (Sekundär-)Elektronen bilden. Reicht die Photonenenergie zur Ionisierung nicht aus, kann sich der photoelektrische Effekt in der Anregung eines Atoms oder Moleküls manifestieren. Dies führt bei manchen Stoffen zur anschließenden Emission von Photonen im sichtbaren Bereich (Röntgenlumineszenz), in Geweben zur Aktivierung von Molekülen und photochemischen Reaktionen.
Der photoelektrische Effekt ist charakteristisch für Photonen mit einer Energie in der Größenordnung von 0,5–1 MeV.
Die drei oben diskutierten Hauptinteraktionsprozesse sind primär und führen zu nachfolgenden sekundären, tertiären usw. Phänomene. Wenn Röntgenstrahlen in eine Substanz eindringen, können mehrere Prozesse ablaufen, bevor die Energie des Röntgenphotons in die Energie der thermischen Bewegung umgewandelt wird.
Als Folge der oben genannten Prozesse wird der primäre Fluss der Röntgenstrahlung geschwächt. Dieser Prozess gehorcht dem Gesetz von Bouguer. Schreiben wir es in der Form: Ф = Ф 0 e - mх, wobei m der lineare Schwächungskoeffizient ist, abhängig von der Art der Substanz (hauptsächlich von der Dichte und der Ordnungszahl) und von der Wellenlänge der Strahlung (Photonenenergie). . Es kann als aus drei Begriffen bestehend dargestellt werden, die kohärenter Streuung, inkohärenter Streuung und photoelektrischem Effekt entsprechen: 
.
Da der lineare Absorptionskoeffizient von der Dichte des Stoffes abhängt, verwenden sie bevorzugt den Massenschwächungskoeffizienten, der gleich dem Verhältnis des linearen Schwächungskoeffizienten zur Dichte des Absorbers ist und nicht von der Dichte des Stoffes abhängt. Die Abhängigkeit des Röntgenflusses (Intensität) von der Dicke des absorbierenden Filters ist in Abb. 7 für H 2 O, Al und Cu dargestellt. Berechnungen zeigen, dass eine 36 mm dicke Wasserschicht, 15 mm Aluminium und 1,6 mm Kupfer die Intensität der Röntgenstrahlung um das Zweifache reduzieren. Diese Dicke wird als halbe Schichtdicke d bezeichnet. Wenn ein Stoff die Röntgenstrahlung um die Hälfte schwächt, dann 
, Dann 
, oder , 
; ; . Wenn Sie die Dicke der Halbschicht kennen, können Sie m immer bestimmen. Abmessungen.
4. Einsatz von Röntgenstrahlen in der Medizin
(Durchleuchtung, Radiographie, Röntgentomographie, Fluorographie, Strahlentherapie).
Eine der häufigsten Anwendungen von Röntgenstrahlung in der Medizin ist die Untersuchung innerer Organe zu diagnostischen Zwecken – die Röntgendiagnostik.
Zur Diagnostik werden Photonen mit einer Energie von 60-120 keV verwendet. In diesem Fall wird der Massenabsorptionskoeffizient hauptsächlich durch den photoelektrischen Effekt bestimmt. Sein Wert ist proportional zu l 3 (was die hohe Durchdringungsfähigkeit harter Strahlung zum Ausdruck bringt) und proportional zur dritten Potenz der Anzahl der Atome der Substanz – Absorber: , wobei K der Proportionalitätskoeffizient ist.
Der menschliche Körper besteht aus Geweben und Organen, die über unterschiedliche Absorptionsfähigkeiten gegenüber Röntgenstrahlung verfügen. Daher entsteht bei der Beleuchtung mit Röntgenstrahlen ein ungleichmäßiges Schattenbild auf dem Bildschirm, das ein Bild der Lage der inneren Organe und Gewebe vermittelt. Die dichtesten strahlungsabsorbierenden Gewebe (Herz, große Gefäße, Knochen) sind dunkel sichtbar, die am wenigsten absorbierenden Gewebe (Lunge) sind hell.
In vielen Fällen ist es möglich, ihren normalen oder pathologischen Zustand zu beurteilen. Bei der Röntgendiagnostik kommen im Wesentlichen zwei Methoden zum Einsatz: Fluoroskopie (Transmission) und Radiographie (Bild). Wenn das untersuchte Organ und das es umgebende Gewebe den Röntgenfluss ungefähr gleich stark absorbieren, werden spezielle Kontrastmittel verwendet. Beispielsweise wird am Vorabend einer Röntgenuntersuchung des Magens oder Darms eine breiartige Masse Bariumsulfat verabreicht, in diesem Fall ist deren Schattenbild zu erkennen. In der Fluoroskopie und Radiographie ist das Röntgenbild ein zusammenfassendes Bild der gesamten Dicke des Objekts, das von den Röntgenstrahlen durchdrungen wird. Die Details, die der Leinwand oder dem Film am nächsten sind, werden am deutlichsten hervorgehoben, während die weiter entfernten Details unscharf und verschwommen werden. Wenn sich in einem Organ ein pathologisch veränderter Bereich befindet, beispielsweise eine Zerstörung von Lungengewebe innerhalb eines großen Entzündungsherdes, kann dieser Bereich in manchen Fällen auf dem Röntgenbild in der Summe der Schatten „verloren“ gehen. Um es sichtbar zu machen, wird eine spezielle Methode verwendet – die Tomographie (Schicht-für-Schicht-Aufnahme), mit der Sie Bilder einzelner Schichten des untersuchten Bereichs erhalten können. Diese Art von Schicht-für-Schicht-Bild-Tomogrammen wird mit einem speziellen Gerät namens Tomograph erstellt, bei dem eine Röntgenröhre (RT) und ein Fotofilm (FP) periodisch gegenphasig relativ zur Fläche zusammen bewegt werden studieren. In diesem Fall passieren Röntgenstrahlen an jeder Position des RT denselben Punkt des Objekts (veränderter Bereich), der das Zentrum ist, relativ zu dem die periodische Bewegung von RT und FP auftritt. Ein Schattenbild der Umgebung wird auf Film festgehalten. Durch Ändern der Position des „Schwingzentrums“ ist es möglich, schichtweise Bilder des Objekts zu erhalten. Mit einem dünnen Strahl Röntgenstrahlung, einem speziellen Bildschirm (anstelle von FP), bestehend aus Halbleiterdetektoren ionisierender Strahlung, ist es möglich, das Bild während der Tomographie mit einem Computer zu verarbeiten. Diese moderne Variante der Tomographie nennt sich Computertomographie. Die Tomographie wird häufig zur Untersuchung von Lunge, Nieren, Gallenblase, Magen, Knochen usw. eingesetzt.
Die Helligkeit des Bildes auf dem Bildschirm und die Belichtungszeit auf dem Film hängen von der Intensität der Röntgenstrahlung ab. Beim diagnostischen Einsatz darf die Intensität nicht hoch sein, um keine unerwünschte biologische Wirkung hervorzurufen. Daher gibt es eine Reihe technischer Geräte, die die Bildhelligkeit bei niedrigen Röntgenintensitäten verbessern. Ein solches Gerät ist ein elektronenoptischer Wandler.
Ein weiteres Beispiel ist die Fluorographie, bei der ein Bild von einem großen Röntgenleuchtschirm auf einem empfindlichen Kleinformatfilm aufgenommen wird. Bei der Aufnahme wird ein lichtstarkes Objektiv verwendet und die fertigen Bilder mit einer speziellen Lupe untersucht.
Die Fluorographie kombiniert eine größere Fähigkeit zur Erkennung versteckter Krankheiten (Erkrankungen der Brustorgane, des Magen-Darm-Trakts, der Nasennebenhöhlen usw.) mit einem erheblichen Durchsatz und ist daher eine sehr effektive Methode der Massenforschung (Inline-Forschung).
Da das Fotografieren eines Röntgenbildes während der Fluorographie mit fotografischer Optik erfolgt, ist das Bild auf dem Fluorogramm im Vergleich zum Röntgenbild verkleinert. In dieser Hinsicht ist die Auflösung eines Fluorogramms (d. h. die Erkennbarkeit kleiner Details) geringer als die einer herkömmlichen Röntgenaufnahme, jedoch höher als bei der Durchleuchtung.
Es wurde ein Gerät entwickelt – ein Tomofluorograph, der es ermöglicht, Fluorogramme von Körperteilen und einzelnen Organen in einer bestimmten Tiefe zu erhalten – die sogenannten Schicht-für-Schicht-Bilder (Scheiben) – Tomofluorogramme.
Röntgenstrahlung wird auch zu therapeutischen Zwecken eingesetzt (Röntgentherapie). Die biologische Wirkung der Strahlung besteht darin, die lebenswichtige Aktivität von Zellen zu stören, insbesondere von sich schnell entwickelnden Zellen. In diesem Zusammenhang wird die Röntgentherapie zur Behandlung bösartiger Tumoren eingesetzt. Es ist möglich, eine Strahlendosis zu wählen, die ausreicht, um den Tumor vollständig zu zerstören, wobei das umgebende gesunde Gewebe relativ wenig geschädigt wird, das durch die anschließende Regeneration wiederhergestellt wird.
Intensität- ein quantitatives Merkmal der Röntgenstrahlung, das durch die Anzahl der von der Röhre pro Zeiteinheit emittierten Strahlen ausgedrückt wird. Die Intensität der Röntgenstrahlung wird in Milliampere gemessen. Wenn wir es mit der Intensität des sichtbaren Lichts einer herkömmlichen Glühlampe vergleichen, können wir eine Analogie ziehen: Beispielsweise leuchtet eine 20-Watt-Lampe mit einer Intensität oder Stärke, und eine 200-Watt-Lampe leuchtet mit einer anderen, während die Die Qualität des Lichts selbst (sein Spektrum) ist gleich. Die Intensität einer Röntgenstrahlung ist im Wesentlichen ihre Menge. Jedes Elektron erzeugt an der Anode ein oder mehrere Strahlungsquanten. Daher wird die Anzahl der Röntgenstrahlen bei der Belichtung eines Objekts durch die Änderung der Anzahl der zur Anode tendierenden Elektronen und der Anzahl der Wechselwirkungen der Elektronen mit Atomen des Wolframtargets reguliert , was auf zwei Arten erfolgen kann:
1. Durch Ändern des Erwärmungsgrads der Kathodenspirale mithilfe eines Abwärtstransformators (die Anzahl der bei der Emission erzeugten Elektronen hängt davon ab, wie heiß die Wolframspirale ist, und die Anzahl der Strahlungsquanten hängt von der Anzahl der Elektronen ab). ;
2. Durch Ändern des Werts der Hochspannung, die vom Aufwärtstransformator an die Pole der Röhre – die Kathode und die Anode – geliefert wird (je höher die Spannung an die Pole der Röhre angelegt wird, desto mehr kinetische Energie erhalten die Elektronen , die aufgrund ihrer Energie wiederum mit mehreren Atomen der Anodensubstanz interagieren können - siehe. Reis. 5; Elektronen mit niedriger Energie können weniger Wechselwirkungen eingehen).
Die Röntgenintensität (Anodenstrom) multipliziert mit der Belichtungszeit (Röhrenbetriebszeit) entspricht der Röntgenbelastung, die in mAs (Milliampere pro Sekunde) gemessen wird. Die Belichtung ist ein Parameter, der ebenso wie die Intensität die Anzahl der von der Röntgenröhre emittierten Strahlen charakterisiert. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei der Belichtung auch die Betriebszeit der Röhre berücksichtigt wird (wenn die Röhre beispielsweise 0,01 Sekunden lang arbeitet, beträgt die Anzahl der Strahlen eins, bei 0,02 Sekunden beträgt die Anzahl der Strahlen). anders - noch zweimal). Abhängig von der Art der Untersuchung, der Größe des Untersuchungsobjekts und der diagnostischen Aufgabe stellt der Radiologe die Strahlenbelastung am Bedienfeld des Röntgengeräts ein.
Steifigkeit- qualitative Eigenschaften der Röntgenstrahlung. Sie wird anhand der Höhe der Hochspannung an der Röhre gemessen – in Kilovolt. Bestimmt die Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen. Die Regelung erfolgt über die Hochspannung, die der Röntgenröhre über einen Aufwärtstransformator zugeführt wird. Je höher die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden der Röhre ist, desto stärker werden die Elektronen von der Kathode abgestoßen und strömen zur Anode und desto stärker kollidieren sie mit der Anode. Je stärker ihre Kollision ist, desto kürzer ist die Wellenlänge der entstehenden Röntgenstrahlung und desto höher ist die Durchdringungsfähigkeit dieser Welle (bzw. die Härte der Strahlung, die ebenso wie die Intensität am Bedienfeld über den Spannungsparameter geregelt wird). der Röhre - Kilospannung).
Reis. 7 - Abhängigkeit der Wellenlänge von der Wellenenergie:
λ – Wellenlänge;
E – Wellenenergie
· Je höher die kinetische Energie bewegter Elektronen ist, desto stärker treffen sie auf die Anode und desto kürzer ist die Wellenlänge der resultierenden Röntgenstrahlung. Röntgenstrahlung mit langer Wellenlänge und geringer Durchdringungskraft wird als „weich“ bezeichnet; Röntgenstrahlung mit kurzer Wellenlänge und hoher Durchdringungskraft wird als „hart“ bezeichnet.
Reis. 8 - Der Zusammenhang zwischen der Spannung an der Röntgenröhre und der Wellenlänge der resultierenden Röntgenstrahlung:
· Je höher die Spannung an die Pole der Röhre angelegt wird, desto größer ist die Potentialdifferenz zwischen ihnen und desto höher ist die kinetische Energie der sich bewegenden Elektronen. Die Spannung an der Röhre bestimmt die Geschwindigkeit der Elektronen und die Kraft ihres Zusammenstoßes mit der Anodensubstanz; daher bestimmt die Spannung die Wellenlänge der resultierenden Röntgenstrahlung.
