Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μήκος κύματος περίπου 80 έως 10 -5 nm. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ με το μεγαλύτερο μήκος κύματος καλύπτεται από την υπεριώδη ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος, ενώ η ακτινοβολία γ μεγάλου μήκους κύματος. Σύμφωνα με τη μέθοδο διέγερσης, η ακτινοβολία ακτίνων Χ χωρίζεται σε bremsstrahlung και χαρακτηριστική.
31.1. ΣΥΣΚΕΥΗ ΣΩΛΗΝΑΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ. Bremsstrahlung ακτινογραφία
Η πιο κοινή πηγή ακτίνων Χ είναι ο σωλήνας ακτίνων Χ, ο οποίος είναι μια συσκευή κενού δύο ηλεκτροδίων (Εικ. 31.1). Θερμαινόμενη κάθοδος 1 εκπέμπει ηλεκτρόνια 4. Η άνοδος 2, που συχνά αναφέρεται ως αντικάθοδος, έχει μια κεκλιμένη επιφάνεια για να κατευθύνει τις προκύπτουσες ακτίνες Χ 3 υπό γωνία ως προς τον άξονα του σωλήνα. Η άνοδος είναι κατασκευασμένη από υλικό υψηλής θερμοαγωγιμότητας για την αφαίρεση της θερμότητας που παράγεται από την πρόσκρουση των ηλεκτρονίων. Η επιφάνεια της ανόδου είναι κατασκευασμένη από πυρίμαχα υλικά με μεγάλο ατομικό αριθμό στον περιοδικό πίνακα, όπως το βολφράμιο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η άνοδος ψύχεται ειδικά με νερό ή λάδι.
Για τους διαγνωστικούς σωλήνες, η ακρίβεια της πηγής ακτίνων Χ είναι σημαντική, η οποία μπορεί να επιτευχθεί εστιάζοντας τα ηλεκτρόνια σε ένα σημείο της αντικάθοδος. Επομένως, εποικοδομητικά, πρέπει να ληφθούν υπόψη δύο αντίθετες εργασίες: αφενός, τα ηλεκτρόνια πρέπει να πέσουν σε ένα σημείο της ανόδου, αφετέρου, για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση, είναι επιθυμητό να διανεμηθούν ηλεκτρόνια σε διαφορετικά μέρη η άνοδος. Ως μία από τις ενδιαφέρουσες τεχνικές λύσεις είναι ένας σωλήνας ακτίνων Χ με περιστρεφόμενη άνοδο (Εικ. 31.2).
Ως αποτέλεσμα της επιβράδυνσης ενός ηλεκτρονίου (ή άλλου φορτισμένου σωματιδίου) από το ηλεκτροστατικό πεδίο του ατομικού πυρήνα και των ατομικών ηλεκτρονίων της ουσίας της αντικάθοδος, ακτινοβολία bremsstrahlung.
Ο μηχανισμός του μπορεί να εξηγηθεί ως εξής. Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο συνδέεται με ένα μαγνητικό πεδίο, η επαγωγή του οποίου εξαρτάται από την ταχύτητα του ηλεκτρονίου. Κατά το φρενάρισμα, το μαγνητικό
επαγωγή και, σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell, εμφανίζεται ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Όταν τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται, μόνο ένα μέρος της ενέργειας πηγαίνει για τη δημιουργία ενός φωτονίου ακτίνων Χ, το άλλο μέρος δαπανάται για τη θέρμανση της ανόδου. Δεδομένου ότι η αναλογία μεταξύ αυτών των τμημάτων είναι τυχαία, όταν ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων επιβραδύνεται, σχηματίζεται ένα συνεχές φάσμα ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Από αυτή την άποψη, το bremsstrahlung ονομάζεται επίσης συνεχές. Στο σχ. Το 31.3 δείχνει την εξάρτηση της ροής ακτίνων Χ από το μήκος κύματος λ (φάσματα) σε διαφορετικές τάσεις στο σωλήνα ακτίνων Χ: U 1< U 2 < U 3 .
Σε καθένα από τα φάσματα, το μικρότερο μήκος κύματος bremsstrahlung λ ηίη προκύπτει όταν η ενέργεια που αποκτάται από ένα ηλεκτρόνιο σε ένα επιταχυνόμενο πεδίο μετατρέπεται πλήρως σε ενέργεια ενός φωτονίου:
Σημειώστε ότι με βάση το (31.2) έχει αναπτυχθεί μία από τις πιο ακριβείς μεθόδους για τον πειραματικό προσδιορισμό της σταθεράς του Planck.
Οι ακτίνες Χ μικρού μήκους κύματος συνήθως έχουν μεγαλύτερη διεισδυτική ισχύ από τις μακρού μήκους κύματος και ονομάζονται σκληρά,και μακρύ κύμα μαλακός.
Αυξάνοντας την τάση στο σωλήνα ακτίνων Χ, η φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας αλλάζει, όπως φαίνεται από το Σχ. 31.3 και τύπους (31.3) και αυξάνουν την ακαμψία.
Εάν η θερμοκρασία του νήματος της καθόδου αυξηθεί, τότε η εκπομπή ηλεκτρονίων και το ρεύμα στον σωλήνα θα αυξηθούν. Αυτό θα αυξήσει τον αριθμό των φωτονίων ακτίνων Χ που εκπέμπονται κάθε δευτερόλεπτο. Η φασματική του σύνθεση δεν θα αλλάξει. Στο σχ. Το 31.4 δείχνει τα φάσματα bremsstrahlung ακτίνων Χ στην ίδια τάση, αλλά σε διαφορετικά ρεύματα νήματος καθόδου: / n1< / н2 .
Η ροή ακτίνων Χ υπολογίζεται με τον τύπο:
Οπου UΚαι ΕΓΩ-τάση και ρεύμα στο σωλήνα ακτίνων Χ. Ζ- σειριακός αριθμός ατόμου της ουσίας ανόδου. κ- συντελεστής αναλογικότητας. Φάσματα που λαμβάνονται από διαφορετικές αντικάθοδοι ταυτόχρονα Uκαι I H φαίνονται στο σχ. 31.5.
31.2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ. ΑΤΟΜΙΚΟ ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ
Αυξάνοντας την τάση στο σωλήνα ακτίνων Χ, μπορεί κανείς να παρατηρήσει την εμφάνιση μιας γραμμής, η οποία αντιστοιχεί σε
χαρακτηριστικές ακτινογραφίες(Εικ. 31.6). Προκύπτει λόγω του γεγονότος ότι τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια διεισδύουν βαθιά στο άτομο και βγάζουν ηλεκτρόνια από τα εσωτερικά στρώματα. Τα ηλεκτρόνια από τα ανώτερα επίπεδα μετακινούνται σε ελεύθερες θέσεις (Εικ. 31.7), με αποτέλεσμα να εκπέμπονται φωτόνια χαρακτηριστικής ακτινοβολίας. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ αποτελείται από σειρές Κ, Λ, Μκ.λπ., το όνομα του οποίου χρησίμευε για τον προσδιορισμό των ηλεκτρονικών στρωμάτων. Δεδομένου ότι η εκπομπή της σειράς K ελευθερώνει χώρο στα υψηλότερα στρώματα, οι γραμμές άλλων σειρών εκπέμπονται ταυτόχρονα.
Σε αντίθεση με τα οπτικά φάσματα, τα χαρακτηριστικά φάσματα ακτίνων Χ διαφορετικών ατόμων είναι του ίδιου τύπου. Στο σχ. Το 31.8 δείχνει τα φάσματα διαφόρων στοιχείων. Η ομοιομορφία αυτών των φασμάτων οφείλεται στο γεγονός ότι τα εσωτερικά στρώματα διαφορετικών ατόμων είναι τα ίδια και διαφέρουν μόνο ενεργειακά, αφού η επίδραση της δύναμης από τον πυρήνα αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο ατομικός αριθμός του στοιχείου. Αυτή η περίσταση οδηγεί στο γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά φάσματα μετατοπίζονται προς υψηλότερες συχνότητες με αυξανόμενο πυρηνικό φορτίο. Αυτό το σχέδιο είναι ορατό από το Σχ. 31.8 και γνωστό ως Ο νόμος του Moseley:
Οπου v-συχνότητα φασματικής γραμμής; Ζ-ατομικός αριθμός του στοιχείου εκπομπής· ΕΝΑΚαι ΣΕ- μόνιμη.
Υπάρχει μια άλλη διαφορά μεταξύ του οπτικού και του φάσματος ακτίνων Χ.
Το χαρακτηριστικό φάσμα ακτίνων Χ ενός ατόμου δεν εξαρτάται από τη χημική ένωση στην οποία περιλαμβάνεται αυτό το άτομο. Για παράδειγμα, το φάσμα ακτίνων Χ του ατόμου οξυγόνου είναι το ίδιο για τα O, O 2 και H 2 O, ενώ τα οπτικά φάσματα αυτών των ενώσεων είναι σημαντικά διαφορετικά. Αυτό το χαρακτηριστικό του φάσματος ακτίνων Χ του ατόμου ήταν η βάση για το όνομα χαρακτηριστικό γνώρισμα.
Η χαρακτηριστική ακτινοβολία εμφανίζεται πάντα όταν υπάρχει ελεύθερος χώρος στα εσωτερικά στρώματα ενός ατόμου, ανεξάρτητα από τον λόγο που την προκάλεσε. Έτσι, για παράδειγμα, η χαρακτηριστική ακτινοβολία συνοδεύει έναν από τους τύπους ραδιενεργής διάσπασης (βλ. 32.1), που συνίσταται στη σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από το εσωτερικό στρώμα από τον πυρήνα.
31.3. ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΜΕ ΟΥΣΙΑ
Η καταγραφή και η χρήση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ, καθώς και η επίδρασή της σε βιολογικά αντικείμενα, καθορίζονται από τις πρωταρχικές διαδικασίες αλληλεπίδρασης ενός φωτονίου ακτίνων Χ με ηλεκτρόνια ατόμων και μορίων μιας ουσίας.
Ανάλογα με την αναλογία ενέργειας hvφωτόνιο και ενέργεια ιοντισμού 1 Α και υπάρχουν τρεις κύριες διεργασίες.
Συνεκτική (κλασική) διασπορά
Η σκέδαση των ακτίνων Χ μεγάλου μήκους κύματος συμβαίνει κυρίως χωρίς αλλαγή στο μήκος κύματος και ονομάζεται συναφής.Συμβαίνει εάν η ενέργεια των φωτονίων είναι μικρότερη από την ενέργεια ιοντισμού: hv< Α και.
Εφόσον σε αυτή την περίπτωση η ενέργεια του φωτονίου ακτίνων Χ και του ατόμου δεν αλλάζει, η συνεκτική σκέδαση από μόνη της δεν προκαλεί βιολογικό αποτέλεσμα. Ωστόσο, κατά τη δημιουργία προστασίας από την ακτινοβολία ακτίνων Χ, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η δυνατότητα αλλαγής της κατεύθυνσης της κύριας δέσμης. Αυτό το είδος αλληλεπίδρασης είναι σημαντικό για την ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (βλ. 24.7).
Ασυνάρτητη διασπορά (φαινόμενο Compton)
Το 1922 ο A.Kh. Ο Compton, παρατηρώντας τη σκέδαση των σκληρών ακτίνων Χ, ανακάλυψε μια μείωση στη διεισδυτική ισχύ της διάσπαρτης δέσμης σε σύγκριση με την προσπίπτουσα δέσμη. Αυτό σήμαινε ότι το μήκος κύματος των διάσπαρτων ακτίνων Χ ήταν μεγαλύτερο από αυτό των προσπίπτοντων ακτίνων Χ. Η σκέδαση των ακτίνων Χ με αλλαγή στο μήκος κύματος ονομάζεται ασυνάρτητος nym, και το ίδιο το φαινόμενο - το φαινόμενο Compton.Συμβαίνει εάν η ενέργεια του φωτονίου ακτίνων Χ είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ιονισμού: hv > A και.
Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στο γεγονός ότι κατά την αλληλεπίδραση με ένα άτομο, η ενέργεια hvφωτόνιο δαπανάται για την παραγωγή ενός νέου διάσπαρτου φωτονίου ακτίνων Χ με ενέργεια hv",να αποσπάσει ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο (ενέργεια ιονισμού A u) και να προσδώσει κινητική ενέργεια στο ηλεκτρόνιο Ε προς:
hv \u003d hv " + A και + E k.(31.6)
1 Εδώ, η ενέργεια ιοντισμού νοείται ως η ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση των εσωτερικών ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή ένα μόριο.
Αφού σε πολλές περιπτώσεις hv>> A και και το φαινόμενο Compton εμφανίζεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τότε μπορούμε να γράψουμε περίπου:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Είναι σημαντικό ότι σε αυτό το φαινόμενο (Εικ. 31.9), μαζί με τη δευτερογενή ακτινοβολία ακτίνων Χ (ενέργεια hv" φωτόνιο) εμφανίζονται ηλεκτρόνια ανάκρουσης (κινητική ενέργεια Ε προςηλεκτρόνιο). Στη συνέχεια, τα άτομα ή τα μόρια γίνονται ιόντα.
φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η ακτινοβολία ακτίνων Χ απορροφάται από ένα άτομο, με αποτέλεσμα ένα ηλεκτρόνιο να πετάει έξω και το άτομο να ιονίζεται (φωτοϊονισμός).
Οι τρεις κύριες διαδικασίες αλληλεπίδρασης που συζητήθηκαν παραπάνω είναι πρωτογενείς, οδηγούν σε επακόλουθες δευτερογενείς, τριτογενείς κ.λπ. πρωτοφανής. Για παράδειγμα, τα ιονισμένα άτομα μπορούν να εκπέμπουν ένα χαρακτηριστικό φάσμα, τα διεγερμένα άτομα μπορούν να γίνουν πηγές ορατού φωτός (φωταύγεια ακτίνων Χ) κ.λπ.
Στο σχ. Το 31.10 είναι ένα διάγραμμα των πιθανών διεργασιών που συμβαίνουν όταν η ακτινοβολία ακτίνων Χ εισέρχεται σε μια ουσία. Αρκετές δεκάδες διεργασίες παρόμοιες με αυτή που φαίνεται μπορεί να συμβούν πριν η ενέργεια του φωτονίου ακτίνων Χ μετατραπεί σε ενέργεια μοριακής θερμικής κίνησης. Ως αποτέλεσμα, θα υπάρξουν αλλαγές στη μοριακή σύνθεση της ουσίας.
Οι διαδικασίες που αντιπροσωπεύονται από το διάγραμμα στο σχ. 31.10, αποτελούν τη βάση των φαινομένων που παρατηρούνται υπό τη δράση των ακτίνων Χ στην ύλη. Ας απαριθμήσουμε μερικά από αυτά.
Φωταύγεια ακτίνων Χ- τη λάμψη ενός αριθμού ουσιών υπό ακτινοβολία ακτίνων Χ. Μια τέτοια λάμψη βαρίου πλατίνας-κυανογόνου επέτρεψε στον Ρέντγκεν να ανακαλύψει τις ακτίνες. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ειδικών φωτεινών οθονών με σκοπό την οπτική παρατήρηση των ακτίνων Χ, μερικές φορές για την ενίσχυση της δράσης των ακτίνων Χ σε μια φωτογραφική πλάκα.
Η χημική δράση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ είναι γνωστή, για παράδειγμα, ο σχηματισμός υπεροξειδίου του υδρογόνου στο νερό. Ένα πρακτικά σημαντικό παράδειγμα είναι η επίδραση σε μια φωτογραφική πλάκα, η οποία καθιστά δυνατή την ανίχνευση τέτοιων ακτίνων.
Το ιονιστικό αποτέλεσμα εκδηλώνεται με αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας υπό την επίδραση των ακτίνων Χ. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται
στη δοσιμετρία για να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση αυτού του τύπου ακτινοβολίας.
Ως αποτέλεσμα πολλών διεργασιών, η κύρια δέσμη ακτίνων Χ εξασθενεί σύμφωνα με το νόμο (29.3). Ας το γράψουμε με τη μορφή:
I = I0 μι-/", (31.8)
Οπου μ - γραμμικός συντελεστής εξασθένησης. Μπορεί να αναπαρασταθεί ως αποτελούμενο από τρεις όρους που αντιστοιχούν σε συνεκτική σκέδαση μ κ , ασυνάρτητο μ ΗΚ και φωτοεπίδραση μ φά:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31,9)
Η ένταση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ μειώνεται ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων της ουσίας από την οποία διέρχεται αυτή η ροή. Αν συμπιέσουμε την ύλη κατά μήκος του άξονα Χ,για παράδειγμα, σε σιφορές αυξάνοντας σιφορές την πυκνότητά του λοιπόν
31.4. ΦΥΣΙΚΑ ΘΕΜΕΛΙΑ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ
Μία από τις σημαντικότερες ιατρικές εφαρμογές των ακτίνων Χ είναι ο μεταφωτισμός των εσωτερικών οργάνων για διαγνωστικούς σκοπούς. (Ακτινοδιαγνωστικά).
Για τη διάγνωση, χρησιμοποιούνται φωτόνια με ενέργεια περίπου 60-120 keV. Σε αυτή την ενέργεια, ο συντελεστής μαζικής εξαφάνισης καθορίζεται κυρίως από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η τιμή του είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τρίτη δύναμη της ενέργειας του φωτονίου (ανάλογη με το λ 3), η οποία εκδηλώνει μεγάλη διεισδυτική ισχύ σκληρής ακτινοβολίας και ανάλογη με την τρίτη δύναμη του ατομικού αριθμού της απορροφητικής ουσίας:
Μια σημαντική διαφορά στην απορρόφηση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ από διαφορετικούς ιστούς σας επιτρέπει να βλέπετε εικόνες των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπινου σώματος σε προβολή σκιάς.
Η διάγνωση με ακτίνες Χ χρησιμοποιείται σε δύο εκδόσεις: ακτινοσκόπηση η εικόνα προβάλλεται σε μια φωτεινή οθόνη ακτίνων Χ, ακτινογραφία - η εικόνα στερεώνεται στο φιλμ.
Εάν το υπό μελέτη όργανο και οι περιβάλλοντες ιστοί εξασθενούν τις ακτινογραφίες περίπου εξίσου, τότε χρησιμοποιούνται ειδικά σκιαγραφικά. Έτσι, για παράδειγμα, γεμίζοντας το στομάχι και τα έντερα με μια χυλώδη μάζα θειικού βαρίου, μπορεί κανείς να δει την εικόνα σκιάς τους.
Η φωτεινότητα της εικόνας στην οθόνη και ο χρόνος έκθεσης στο φιλμ εξαρτώνται από την ένταση των ακτίνων Χ. Αν χρησιμοποιηθεί για διάγνωση, τότε η ένταση δεν μπορεί να είναι υψηλή, ώστε να μην προκληθούν ανεπιθύμητες βιολογικές συνέπειες. Επομένως, υπάρχει μια σειρά από τεχνικές συσκευές που βελτιώνουν την εικόνα σε χαμηλές εντάσεις ακτίνων Χ. Ένα παράδειγμα τέτοιας συσκευής είναι οι σωλήνες ενίσχυσης (βλ. 27.8). Σε μια μαζική εξέταση του πληθυσμού, χρησιμοποιείται ευρέως μια παραλλαγή ακτινογραφίας - φθορογραφία, στην οποία μια εικόνα από μια μεγάλη οθόνη φωταύγειας ακτίνων Χ καταγράφεται σε ένα ευαίσθητο φιλμ μικρού μεγέθους. Κατά τη λήψη, χρησιμοποιείται ένας φακός μεγάλου διαφράγματος, οι τελικές εικόνες εξετάζονται σε ειδικό μεγεθυντικό φακό.
Μια ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη επιλογή για ακτινογραφία είναι μια μέθοδος που ονομάζεται ακτινογραφία, και η "μηχανή έκδοση" του - Η αξονική τομογραφία.
Ας εξετάσουμε αυτό το ερώτημα.
Μια απλή ακτινογραφία καλύπτει μια μεγάλη περιοχή του σώματος, με διάφορα όργανα και ιστούς να σκιάζονται μεταξύ τους. Μπορείτε να το αποφύγετε εάν μετακινείτε περιοδικά το σωλήνα ακτίνων Χ μαζί (Εικ. 31.11) σε αντιφάση RTκαι ταινία Fpσε σχέση με το αντικείμενο Σχετικά μεέρευνα. Το σώμα περιέχει έναν αριθμό εγκλεισμάτων που είναι αδιαφανή στις ακτίνες Χ· φαίνονται με κύκλους στο σχήμα. Όπως μπορείτε να δείτε, ακτινογραφίες σε οποιαδήποτε θέση του σωλήνα ακτίνων Χ (1, 2 κ.λπ.) περνούν
κόβοντας το ίδιο σημείο του αντικειμένου, που είναι το κέντρο, σε σχέση με το οποίο εκτελείται η περιοδική κίνηση RTΚαι Fp.Αυτό το σημείο, πιο συγκεκριμένα ένα μικρό αδιαφανές έγκλεισμα, φαίνεται από έναν μαύρο κύκλο. Η σκιώδης εικόνα του κινείται με fp,καταλαμβάνοντας διαδοχικά τις θέσεις 1, 2 και τα λοιπά. Τα υπόλοιπα εγκλείσματα στο σώμα (κόκαλα, φώκιες κ.λπ.) δημιουργούν επάνω Fpκάποιο γενικό υπόβαθρο, αφού οι ακτινογραφίες δεν καλύπτονται μόνιμα από αυτές. Αλλάζοντας τη θέση του κέντρου αιώρησης, είναι δυνατό να ληφθεί μια εικόνα ακτίνων Χ στρώμα προς στρώμα του σώματος. Εξ ου και το όνομα - τομογραφία(επίπεδη εγγραφή).
Είναι δυνατό, χρησιμοποιώντας μια λεπτή δέσμη ακτίνων Χ, να γίνει σάρωση (αντί για Fp),που αποτελείται από ανιχνευτές ημιαγωγών ιοντίζουσας ακτινοβολίας (βλ. 32.5) και έναν υπολογιστή, για την επεξεργασία της εικόνας σκιών ακτίνων Χ στην τομογραφία. Αυτή η σύγχρονη έκδοση της τομογραφίας (υπολογιστική ή αξονική τομογραφία ακτίνων Χ) σας επιτρέπει να λαμβάνετε εικόνες του σώματος σε στρώματα στην οθόνη ενός καθοδικού σωλήνα ή σε χαρτί με λεπτομέρειες μικρότερες από 2 mm με διαφορά στην απορρόφηση ακτίνων Χ έως 0,1%. Αυτό επιτρέπει, για παράδειγμα, να γίνει διάκριση μεταξύ της φαιάς και λευκής ουσίας του εγκεφάλου και να δούμε πολύ μικρούς σχηματισμούς όγκων.
1. Πηγές ακτίνων Χ.
2. Ακτινογραφίες Bremsstrahlung.
3. Χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ. Ο νόμος του Moseley.
4. Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ με την ύλη. Ο νόμος της αποδυνάμωσης.
5. Φυσική βάση για τη χρήση των ακτίνων Χ στην ιατρική.
6. Βασικές έννοιες και τύποι.
7. Καθήκοντα.
ακτινοβολία ακτίνων Χ -ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μήκος κύματος από 100 έως 10 -3 nm. Στην κλίμακα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, η ακτινοβολία ακτίνων Χ καταλαμβάνει την περιοχή μεταξύ της υπεριώδους ακτινοβολίας και της γ -ακτινοβολία. Οι ακτίνες Χ (ακτίνες Χ) ανακαλύφθηκαν το 1895 από τον K. Roentgen, ο οποίος το 1901 έγινε ο πρώτος νομπελίστας στη φυσική.
32.1. Πηγές ακτίνων Χ
Φυσικές πηγές ακτίνων Χ είναι ορισμένα ραδιενεργά ισότοπα (για παράδειγμα, 55 Fe). Οι τεχνητές πηγές ισχυρών ακτίνων Χ είναι σωλήνες ακτίνων Χ(Εικ. 32.1).
Ρύζι. 32.1.Συσκευή σωλήνα ακτίνων Χ
Ο σωλήνας ακτίνων Χ είναι μια εκκενωμένη γυάλινη φιάλη με δύο ηλεκτρόδια: την άνοδο Α και την κάθοδο Κ, μεταξύ των οποίων δημιουργείται υψηλή τάση U (1-500 kV). Η κάθοδος είναι ένα πηνίο που θερμαίνεται με ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από μια θερμαινόμενη κάθοδο (θερμιονική εκπομπή) επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο σε μεγάλοταχύτητες (για αυτό χρειάζεστε υψηλή τάση) και πέφτουν στην άνοδο του σωλήνα. Όταν αυτά τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με το υλικό της ανόδου, προκύπτουν δύο τύποι ακτινοβολίας ακτίνων Χ: φρένοΚαι χαρακτηριστικό γνώρισμα.
Η επιφάνεια εργασίας της ανόδου βρίσκεται σε κάποια γωνία προς την κατεύθυνση της δέσμης ηλεκτρονίων προκειμένου να δημιουργηθεί η επιθυμητή κατεύθυνση των ακτίνων Χ.
Περίπου το 1% της κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων μετατρέπεται σε ακτίνες Χ. Η υπόλοιπη ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα. Επομένως, η επιφάνεια εργασίας της ανόδου είναι κατασκευασμένη από πυρίμαχο υλικό.
32.2. Ακτινογραφία Bremsstrahlung
Ένα ηλεκτρόνιο που κινείται σε κάποιο μέσο χάνει την ταχύτητά του. Αυτό δημιουργεί αρνητική επιτάχυνση. Σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell, οποιαδήποτε επιταχύνθηκεη κίνηση ενός φορτισμένου σωματιδίου συνοδεύεται από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία που εμφανίζεται όταν ένα ηλεκτρόνιο επιβραδύνεται στο υλικό της ανόδου ονομάζεται ακτινογραφίες bremsstrahlung.
Οι ιδιότητες του bremsstrahlung καθορίζονται από τους ακόλουθους παράγοντες.
1. Η ακτινοβολία εκπέμπεται από μεμονωμένα κβάντα, οι ενέργειες των οποίων σχετίζονται με τη συχνότητα με τον τύπο (26.10)
όπου ν είναι η συχνότητα, λ το μήκος κύματος.
2. Όλα τα ηλεκτρόνια που φτάνουν στην άνοδο έχουν το ίδιοκινητική ενέργεια ίση με το έργο του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ της ανόδου και της καθόδου:
όπου e είναι το φορτίο ηλεκτρονίου, U είναι η τάση επιτάχυνσης.
3. Η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου μεταφέρεται εν μέρει στην ουσία και πηγαίνει να τη θερμάνει (Q), και εν μέρει δαπανάται για τη δημιουργία ενός κβαντικού ακτίνων Χ:
4. Σχέση μεταξύ Q και hv κατά λάθος.
Λόγω της τελευταίας ιδιότητας (4), τα κβάντα που δημιουργούνται από διάφοροςηλεκτρόνια, έχουν διάφοροςσυχνότητες και μήκη κύματος. Επομένως, το φάσμα bremsstrahlung είναι στερεός.τυπική άποψη φασματική πυκνότηταη ροή ακτίνων Χ (Φ λ = άΦ/άλ) φαίνεται στο σχ. 32.2.
Ρύζι. 32.2.Φάσμα Bremsstrahlung
Από την πλευρά των μεγάλων κυμάτων, το φάσμα περιορίζεται από ένα μήκος κύματος 100 nm, το οποίο είναι το όριο της ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Από την πλευρά των βραχέων κυμάτων, το φάσμα περιορίζεται από το μήκος κύματος λ min . Σύμφωνα με τον τύπο (32.2) ελάχιστο μήκος κύματοςαντιστοιχεί στην περίπτωση Q = 0 (η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου μετατρέπεται πλήρως στην ενέργεια του κβαντικού):
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η ροή bremsstrahlung (Φ) είναι ευθέως ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης U μεταξύ
άνοδος και κάθοδος, ρεύμα I στον σωλήνα και ατομικός αριθμός Z της ουσίας ανόδου:
Τα φάσματα bremsstrahlung ακτίνων Χ σε διάφορες τάσεις, διάφορες θερμοκρασίες καθόδου και διάφορα υλικά ανόδου φαίνονται στα Σχ. 32.3.
Ρύζι. 32.3.Φάσμα Bremsstrahlung (Φ λ):
α - σε διαφορετικές τάσεις U στο σωλήνα. β - σε διαφορετικές θερμοκρασίες T
κάθοδος; γ - με διαφορετικές ουσίες ανόδου που διαφέρουν στην παράμετρο Z
Με αύξηση της τάσης ανόδου, η τιμή λminμετατοπίζεται προς μικρότερα μήκη κύματος. Ταυτόχρονα, το ύψος της φασματικής καμπύλης αυξάνεται επίσης (Εικ. 32.3, ΕΝΑ).
Καθώς η θερμοκρασία της καθόδου αυξάνεται, η εκπομπή ηλεκτρονίων αυξάνεται. Αντίστοιχα αυξάνεται και το ρεύμα I στον σωλήνα. Το ύψος της φασματικής καμπύλης αυξάνεται, αλλά η φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας δεν αλλάζει (Εικ. 32.3, β).
Όταν το υλικό της ανόδου αλλάζει, το ύψος της φασματικής καμπύλης αλλάζει αναλογικά με τον ατομικό αριθμό Z (Εικ. 32.3, γ).
32.3. Χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ. Ο νόμος του Moseley
Όταν τα ηλεκτρόνια καθόδου αλληλεπιδρούν με άτομα ανόδου, μαζί με το bremsstrahlung των ακτίνων Χ, προκύπτει ακτινοβολία ακτίνων Χ, το φάσμα της οποίας αποτελείται από μεμονωμένες γραμμές.Αυτή η ακτινοβολία
έχει την εξής προέλευση. Μερικά καθοδικά ηλεκτρόνια διεισδύουν βαθιά μέσα στο άτομο και βγάζουν ηλεκτρόνια έξω από αυτό. εσωτερικά κελύφη.Τα κενά που σχηματίζονται έτσι γεμίζουν με ηλεκτρόνια με μπλουζακελύφη, με αποτέλεσμα την εκπομπή κβαντών ακτινοβολίας. Αυτή η ακτινοβολία περιέχει ένα διακριτό σύνολο συχνοτήτων που καθορίζονται από το υλικό της ανόδου και ονομάζεται χαρακτηριστική ακτινοβολία.Το πλήρες φάσμα ενός σωλήνα ακτίνων Χ είναι μια υπέρθεση του χαρακτηριστικού φάσματος στο φάσμα bremsstrahlung (Εικ. 32.4).
Ρύζι. 32.4.Φάσμα εκπομπής σωλήνων ακτίνων Χ
Η ύπαρξη χαρακτηριστικών φασμάτων ακτίνων Χ έχει ανακαλυφθεί χρησιμοποιώντας σωλήνες ακτίνων Χ. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι τέτοια φάσματα προκύπτουν κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε ιονισμού των εσωτερικών τροχιών των χημικών στοιχείων. Έχοντας μελετήσει τα χαρακτηριστικά φάσματα διαφόρων χημικών στοιχείων, ο G. Moseley (1913) καθιέρωσε τον ακόλουθο νόμο, που φέρει το όνομά του.
Η τετραγωνική ρίζα της συχνότητας της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας είναι γραμμική συνάρτηση του τακτικού αριθμού του στοιχείου:
όπου ν είναι η συχνότητα της φασματικής γραμμής, Z ο ατομικός αριθμός του εκπεμπόμενου στοιχείου, Α, Β είναι σταθερές.
Ο νόμος του Moseley καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό του ατομικού αριθμού ενός χημικού στοιχείου από το παρατηρούμενο φάσμα της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας. Αυτό έπαιξε μεγάλο ρόλο στην τοποθέτηση στοιχείων στο περιοδικό σύστημα.
32.4. Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ με την ύλη. νόμος της αποδυνάμωσης
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας ακτίνων Χ με την ύλη: η σκέδαση και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν σκεδάζεται, η κατεύθυνση της κίνησης ενός φωτονίου αλλάζει. Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ένα φωτόνιο απορροφάται.
1. Συνεκτική (ελαστική) διασποράσυμβαίνει όταν η ενέργεια ενός φωτονίου ακτίνων Χ είναι ανεπαρκής για τον εσωτερικό ιονισμό ενός ατόμου (εκτόξευση ηλεκτρονίου από ένα από τα εσωτερικά κελύφη). Σε αυτή την περίπτωση, η κατεύθυνση της κίνησης του φωτονίου αλλάζει και η ενέργεια και το μήκος κύματός του δεν αλλάζουν (επομένως, αυτή η σκέδαση ονομάζεται ελαστικό).
2. Ασυνάρτητη (Compton) σκέδασησυμβαίνει όταν η ενέργεια του φωτονίου είναι πολύ μεγαλύτερη από την εσωτερική ενέργεια ιοντισμού A u: hv >> A u.
Στην περίπτωση αυτή, το ηλεκτρόνιο αποσπάται από το άτομο και αποκτά κάποια κινητική ενέργεια E k. Η κατεύθυνση του φωτονίου κατά τη σκέδαση Compton αλλάζει και η ενέργειά του μειώνεται:
Η σκέδαση Compton σχετίζεται με τον ιονισμό των ατόμων της ύλης.
3. φωτοηλεκτρικό φαινόμενοσυμβαίνει όταν η ενέργεια του φωτονίου hv επαρκεί για να ιονίσει το άτομο: hv > A u. Ταυτόχρονα, το κβαντικό ακτίνων Χ απορροφάταικαι η ενέργειά του δαπανάται για τον ιονισμό του ατόμου και την επικοινωνία της κινητικής ενέργειας στο εκτοξευόμενο ηλεκτρόνιο E k \u003d hv - AI.
Η σκέδαση του Compton και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συνοδεύονται από χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ, αφού μετά το χτύπημα των εσωτερικών ηλεκτρονίων, τα κενά γεμίζουν με ηλεκτρόνια από τα εξωτερικά κελύφη.
Φωταύγεια ακτίνων Χ.Σε ορισμένες ουσίες, τα ηλεκτρόνια και τα κβάντα της σκέδασης Compton, καθώς και τα ηλεκτρόνια φωτοηλεκτρικών φαινομένων, προκαλούν διέγερση μορίων, η οποία συνοδεύεται από μεταπτώσεις ακτινοβολίας στη θεμελιώδη κατάσταση. Αυτό παράγει μια λάμψη που ονομάζεται φωταύγεια ακτίνων Χ. Η φωταύγεια του βαρίου λευκόχρυσου-κυανογόνου επέτρεψε την ανακάλυψη ακτίνων Χ από τον Roentgen.
νόμος της αποδυνάμωσης
Η σκέδαση των ακτίνων Χ και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο οδηγούν στο γεγονός ότι καθώς η ακτινοβολία των ακτίνων Χ διεισδύει βαθιά μέσα στην κύρια δέσμη της ακτινοβολίας εξασθενεί (Εικ. 32.5). Η χαλάρωση είναι εκθετική:
Η τιμή του μ εξαρτάται από το απορροφητικό υλικό και το φάσμα ακτινοβολίας. Για πρακτικούς υπολογισμούς, ως χαρακτηριστικό των αποδυναμωμένων
Ρύζι. 32.5.Εξασθένηση της ροής ακτίνων Χ προς την κατεύθυνση των προσπίπτων ακτίνων
Οπου λ
- μήκος κύματος; Z είναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου. Το k είναι κάποια σταθερά.
32.5. Φυσικές βάσεις χρήσης
ακτινοβολία ακτίνων Χ στην ιατρική
Στην ιατρική, οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς.
Διαγνωστικά με ακτίνες Χ- Μέθοδοι λήψης εικόνων εσωτερικών οργάνων με χρήση ακτινογραφιών.
Η φυσική βάση αυτών των μεθόδων είναι ο νόμος της εξασθένησης των ακτίνων Χ στην ύλη (32.10). Ομοιόμορφη ροή ακτίνων Χ διατομής μετά τη διέλευση ανομοιογενής ιστόςθα γίνει ανομοιογενής. Αυτή η ανομοιογένεια μπορεί να καταγραφεί σε φωτογραφικό φιλμ, σε φθορίζουσα οθόνη ή χρησιμοποιώντας φωτοανιχνευτή μήτρας. Για παράδειγμα, οι συντελεστές εξασθένησης της μάζας του οστικού ιστού - Ca 3 (PO 4) 2 - και των μαλακών ιστών - κυρίως H 2 O - διαφέρουν κατά 68 φορές (μ m οστό /μ m νερό = 68). Η οστική πυκνότητα είναι επίσης υψηλότερη από την πυκνότητα των μαλακών ιστών. Επομένως, μια εικόνα ακτίνων Χ παράγει μια ελαφριά εικόνα του οστού σε ένα πιο σκούρο φόντο μαλακών ιστών.
Εάν το υπό μελέτη όργανο και οι ιστοί που το περιβάλλουν έχουν παρόμοιους συντελεστές εξασθένησης, τότε ειδικό παράγοντες αντίθεσης.Έτσι, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της ακτινοσκόπησης του στομάχου, το άτομο παίρνει μια χυλώδη μάζα θειικού βαρίου (BaSO 4), στην οποία ο συντελεστής εξασθένησης μάζας είναι 354 φορές μεγαλύτερος από αυτόν των μαλακών ιστών.
Για διαγνωστικά, χρησιμοποιείται ακτινοβολία ακτίνων Χ με ενέργεια φωτονίων 60-120 keV. Στην ιατρική πρακτική, χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες μέθοδοι διάγνωσης με ακτίνες Χ.
1. Ακτινογραφία.Η εικόνα σχηματίζεται σε μια φθορίζουσα οθόνη. Η φωτεινότητα της εικόνας είναι χαμηλή και μπορεί να προβληθεί μόνο σε σκοτεινό δωμάτιο. Ο γιατρός πρέπει να προστατεύεται από την έκθεση.
Το πλεονέκτημα της ακτινοσκόπησης είναι ότι πραγματοποιείται σε πραγματικό χρόνο. Το μειονέκτημα είναι ένα μεγάλο φορτίο ακτινοβολίας στον ασθενή και τον γιατρό (σε σύγκριση με άλλες μεθόδους).
Η σύγχρονη έκδοση της ακτινοσκόπησης - τηλεόραση με ακτίνες Χ - χρησιμοποιεί ενισχυτές εικόνας ακτίνων Χ. Ο ενισχυτής αντιλαμβάνεται την ασθενή λάμψη της οθόνης ακτίνων Χ, την ενισχύει και τη μεταδίδει στην οθόνη της τηλεόρασης. Ως αποτέλεσμα, το φορτίο ακτινοβολίας στον γιατρό έχει μειωθεί απότομα, η φωτεινότητα της εικόνας έχει αυξηθεί και κατέστη δυνατή η καταγραφή των αποτελεσμάτων της εξέτασης σε βίντεο.
2. Ακτινογραφία.Η εικόνα σχηματίζεται σε ένα ειδικό φιλμ που είναι ευαίσθητο στις ακτίνες Χ. Οι φωτογραφίες λαμβάνονται σε δύο αμοιβαία κάθετες προβολές (άμεσες και πλευρικές). Η εικόνα γίνεται ορατή μετά την επεξεργασία της φωτογραφίας. Η τελική αποξηραμένη εικόνα προβάλλεται σε εκπεμπόμενο φως.
Παράλληλα διακρίνονται ικανοποιητικά οι λεπτομέρειες, η αντίθεση των οποίων διαφέρει κατά 1-2%.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, πριν από την εξέταση, χορηγείται στον ασθενή ειδικό παράγοντα αντίθεσης.Για παράδειγμα, ένα διάλυμα που περιέχει ιώδιο (ενδοφλεβίως) στη μελέτη των νεφρών και του ουροποιητικού συστήματος.
Τα πλεονεκτήματα της ακτινογραφίας είναι η υψηλή ανάλυση, ο μικρός χρόνος έκθεσης και η σχεδόν πλήρης ασφάλεια για τον γιατρό. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν τη στατική εικόνα (το αντικείμενο δεν μπορεί να εντοπιστεί σε δυναμική).
3. Φθοριογραφία.Σε αυτή την εξέταση, η εικόνα που λαμβάνεται στην οθόνη φωτογραφίζεται σε ένα ευαίσθητο φιλμ μικρού μεγέθους. Η φθορογραφία χρησιμοποιείται ευρέως στη μαζική έρευνα του πληθυσμού. Εάν διαπιστωθούν παθολογικές αλλαγές στο ακτινογράφημα, τότε ο ασθενής συνταγογραφείται λεπτομερέστερη εξέταση.
4. Ηλεκτροεντγονογραφία.Αυτός ο τύπος εξέτασης διαφέρει από τη συμβατική ακτινογραφία στον τρόπο λήψης της εικόνας. Χρησιμοποιήστε αντί για φιλμ πλάκα σεληνίου,ηλεκτρισμένο από ακτίνες Χ. Το αποτέλεσμα είναι μια λανθάνουσα εικόνα ηλεκτρικών φορτίων που μπορεί να γίνει ορατό και να μεταφερθεί σε χαρτί.
5. Αγγειογραφία.Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται στην εξέταση των αιμοφόρων αγγείων. Ένας παράγοντας αντίθεσης εγχέεται στη φλέβα μέσω ενός καθετήρα, μετά τον οποίο ένα ισχυρό μηχάνημα ακτίνων Χ λαμβάνει μια σειρά από εικόνες που ακολουθούν η μία την άλλη σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Το Σχήμα 32.6 δείχνει ένα αγγειόγραμμα στην περιοχή της καρωτίδας.
6. Ακτινογραφία αξονικής τομογραφίας.Αυτός ο τύπος εξέτασης με ακτίνες Χ σάς επιτρέπει να λάβετε μια εικόνα ενός επίπεδου τμήματος του σώματος με πάχος αρκετών mm. Σε αυτήν την περίπτωση, το δεδομένο τμήμα φωτίζεται επανειλημμένα σε διαφορετικές γωνίες με τη στερέωση κάθε μεμονωμένης εικόνας στη μνήμη του υπολογιστή. Επειτα
Ρύζι. 32.6.Αγγειογραφία που δείχνει στένωση στο κανάλι της καρωτίδας
Ρύζι. 32.7. Σχέδιο σάρωσης τομογραφίας (α). τομογραφία κεφαλής σε διατομή στο ύψος των ματιών (β).
πραγματοποιείται ανακατασκευή υπολογιστή, το αποτέλεσμα της οποίας είναι η εικόνα του σαρωμένου στρώματος (Εικ. 32.7).
Η αξονική τομογραφία καθιστά δυνατή τη διάκριση στοιχείων με διαφορά πυκνότητας μεταξύ τους έως και 1%. Η συμβατική ακτινογραφία σας επιτρέπει να καταγράψετε μια ελάχιστη διαφορά πυκνότητας μεταξύ γειτονικών περιοχών 10-20%.
ακτινοθεραπεία - τη χρήση ακτίνων Χ για την καταστροφή κακοήθων όγκων.
Η βιολογική επίδραση της ακτινοβολίας είναι να διαταράξει τη ζωτική δραστηριότητα των ιδιαίτερα ταχέως πολλαπλασιαζόμενων κυττάρων. Οι πολύ σκληρές ακτίνες Χ (με ενέργεια φωτονίων περίπου 10 MeV) χρησιμοποιούνται για την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων βαθιά μέσα στο σώμα. Για να μειωθεί η βλάβη στους υγιείς περιβάλλοντες ιστούς, η δέσμη περιστρέφεται γύρω από τον ασθενή με τέτοιο τρόπο ώστε μόνο η κατεστραμμένη περιοχή να παραμένει υπό την επιρροή της ανά πάσα στιγμή.
32.6. Βασικές έννοιες και τύποι
Συνέχεια πίνακα
Τέλος τραπεζιού
32.7. Καθήκοντα
1. Γιατί μια δέσμη ηλεκτρονίων σε ιατρικούς σωλήνες ακτίνων Χ χτυπά ένα σημείο της αντικάθοδος και δεν πέφτει σε αυτό σε μια ευρεία δέσμη;
Απάντηση:για να αποκτήσετε μια σημειακή πηγή ακτίνων Χ, δίνοντας ένα ευκρινές περίγραμμα ημιδιαφανών αντικειμένων στην οθόνη.
2. Βρείτε το όριο των ακτίνων Χ bremsstrahlung (συχνότητα και μήκος κύματος) για τάσεις U 1 = 2 kV και U 2 = 20 kV.
4.
Οι οθόνες μολύβδου χρησιμοποιούνται για την προστασία από τις ακτίνες Χ. Η γραμμική απορρόφηση των ακτίνων Χ στον μόλυβδο είναι 52 cm -1. Ποιο πρέπει να είναι το πάχος του στρώματος θωράκισης του μολύβδου για να μειώσει την ένταση των ακτίνων Χ κατά 30 φορές;
5.
Βρείτε τη ροή ακτινοβολίας του σωλήνα ακτίνων Χ σε U = 50 kV, I = 1 mA. Η άνοδος είναι κατασκευασμένη από βολφράμιο (Z = 74). Βρείτε την απόδοση του σωλήνα.
6.
Για τη διάγνωση με ακτίνες Χ μαλακών ιστών, χρησιμοποιούνται σκιαγραφικά. Για παράδειγμα, το στομάχι και τα έντερα είναι γεμάτα με μια μάζα θειικού βαρίου (BaSO 4 ). Συγκρίνετε τους συντελεστές εξασθένησης μάζας του θειικού βαρίου και των μαλακών ιστών (νερό).
7. Τι θα δώσει μια πιο παχιά σκιά στην οθόνη ακτίνων Χ: αλουμίνιο (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm 3) ή το ίδιο στρώμα χαλκού (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm 3);
8.
Πόσες φορές είναι μεγαλύτερο το πάχος του στρώματος αλουμινίου από το πάχος του στρώματος χαλκού, αν τα στρώματα εξασθενούν τις ακτίνες Χ με τον ίδιο τρόπο;
Οι ακτίνες Χ παίζουν έναν από τους σημαντικότερους ρόλους στη μελέτη και πρακτική χρήση των ατομικών φαινομένων. Χάρη στην έρευνά τους έγιναν πολλές ανακαλύψεις και αναπτύχθηκαν μέθοδοι ανάλυσης ουσιών, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς. Εδώ θα εξετάσουμε έναν από τους τύπους ακτίνων Χ - χαρακτηριστικές ακτίνες Χ.
Φύση και ιδιότητες των ακτίνων Χ
Η ακτινοβολία ακτίνων Χ είναι μια αλλαγή υψηλής συχνότητας στην κατάσταση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που διαδίδεται στο διάστημα με ταχύτητα περίπου 300.000 km / s, δηλαδή ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Στην κλίμακα του εύρους της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, οι ακτίνες Χ βρίσκονται στην περιοχή μήκους κύματος από περίπου 10 -8 έως 5∙10 -12 μέτρα, που είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μικρότερη από τα οπτικά κύματα. Αυτό αντιστοιχεί σε συχνότητες από 3∙10 16 έως 6∙10 19 Hz και ενέργειες από 10 eV έως 250 keV, ή 1,6∙10 -18 έως 4∙10 -14 J. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα όρια των περιοχών συχνοτήτων Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι μάλλον συμβατική λόγω της επικάλυψης τους.
Είναι η αλληλεπίδραση επιταχυνόμενων φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας) με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και με άτομα ύλης.
Τα φωτόνια ακτίνων Χ χαρακτηρίζονται από υψηλές ενέργειες και υψηλή διεισδυτική και ιονίζουσα ισχύ, ειδικά για σκληρές ακτίνες Χ με μήκη κύματος μικρότερο από 1 νανόμετρο (10 -9 m).
Οι ακτίνες Χ αλληλεπιδρούν με την ύλη, ιονίζοντας τα άτομα της, στις διαδικασίες του φωτοηλεκτρικού φαινομένου (φωτοαπορρόφηση) και της ασυνάρτητης σκέδασης (Compton). Στη φωτοαπορρόφηση, ένα φωτόνιο ακτίνων Χ, που απορροφάται από ένα ηλεκτρόνιο ενός ατόμου, μεταφέρει ενέργεια σε αυτό. Εάν η τιμή του υπερβαίνει την ενέργεια δέσμευσης ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο, τότε φεύγει από το άτομο. Η σκέδαση Compton είναι χαρακτηριστική των σκληρότερων (ενεργητικών) φωτονίων ακτίνων Χ. Μέρος της ενέργειας του απορροφούμενου φωτονίου δαπανάται στον ιονισμό. σε αυτή την περίπτωση, σε μια ορισμένη γωνία προς την κατεύθυνση του πρωτεύοντος φωτονίου, εκπέμπεται ένα δευτερεύον, με μικρότερη συχνότητα.
Τύποι ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Bremsstrahlung
Για τη λήψη ακτίνων, χρησιμοποιούνται γυάλινες φιάλες κενού με ηλεκτρόδια που βρίσκονται μέσα. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων πρέπει να είναι πολύ υψηλή - έως και εκατοντάδες kilovolt. Σε μια κάθοδο βολφραμίου που θερμαίνεται από ρεύμα, εμφανίζεται θερμιονική εκπομπή, δηλαδή εκπέμπονται ηλεκτρόνια από αυτήν, τα οποία, επιταχυνόμενα από τη διαφορά δυναμικού, βομβαρδίζουν την άνοδο. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασής τους με τα άτομα της ανόδου (μερικές φορές ονομάζεται αντικάθοδος), γεννιούνται φωτόνια ακτίνων Χ.
Ανάλογα με τη διαδικασία που οδηγεί στη γέννηση ενός φωτονίου, υπάρχουν τέτοιοι τύποι ακτινοβολίας ακτίνων Χ όπως η bremsstrahlung και χαρακτηριστική.
Τα ηλεκτρόνια μπορούν, συναντώντας την άνοδο, να επιβραδύνουν, δηλαδή να χάσουν ενέργεια στα ηλεκτρικά πεδία των ατόμων της. Αυτή η ενέργεια εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίων ακτίνων Χ. Μια τέτοια ακτινοβολία ονομάζεται bremsstrahlung.
Είναι σαφές ότι οι συνθήκες πέδησης θα διαφέρουν για μεμονωμένα ηλεκτρόνια. Αυτό σημαίνει ότι διαφορετικές ποσότητες της κινητικής τους ενέργειας μετατρέπονται σε ακτίνες Χ. Ως αποτέλεσμα, το bremsstrahlung περιλαμβάνει φωτόνια διαφορετικών συχνοτήτων και, κατά συνέπεια, μηκών κύματος. Επομένως, το φάσμα του είναι συνεχές (συνεχές). Μερικές φορές για το λόγο αυτό ονομάζεται και «λευκή» ακτινογραφία.
Η ενέργεια του φωτονίου bremsstrahlung δεν μπορεί να υπερβαίνει την κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου που το δημιουργεί, έτσι ώστε η μέγιστη συχνότητα (και το μικρότερο μήκος κύματος) του bremsstrahlung να αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη τιμή της κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων που προσπίπτουν στην άνοδο. Το τελευταίο εξαρτάται από τη διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια.
Υπάρχει ένας άλλος τύπος ακτινογραφίας που προέρχεται από διαφορετική διαδικασία. Αυτή η ακτινοβολία ονομάζεται χαρακτηριστική και θα σταθούμε σε αυτήν με περισσότερες λεπτομέρειες.
Πώς παράγονται οι χαρακτηριστικές ακτίνες Χ
Έχοντας φτάσει στην αντικάθοδο, ένα γρήγορο ηλεκτρόνιο μπορεί να διεισδύσει στο εσωτερικό του ατόμου και να εξουδετερώσει οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο από ένα από τα κατώτερα τροχιακά, δηλαδή να του μεταφέρει ενέργεια επαρκή για να ξεπεράσει το φράγμα δυναμικού. Ωστόσο, εάν υπάρχουν υψηλότερα επίπεδα ενέργειας που καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια στο άτομο, η κενή θέση δεν θα παραμείνει άδεια.
Πρέπει να θυμόμαστε ότι η ηλεκτρονική δομή του ατόμου, όπως κάθε ενεργειακό σύστημα, επιδιώκει να ελαχιστοποιήσει την ενέργεια. Η κενή θέση που σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα του νοκ-άουτ γεμίζει με ένα ηλεκτρόνιο από ένα από τα υψηλότερα επίπεδα. Η ενέργειά του είναι υψηλότερη και, καταλαμβάνοντας ένα χαμηλότερο επίπεδο, ακτινοβολεί ένα πλεόνασμα με τη μορφή ενός κβάντου χαρακτηριστικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ.
Η ηλεκτρονική δομή ενός ατόμου είναι ένα διακριτό σύνολο πιθανών ενεργειακών καταστάσεων ηλεκτρονίων. Επομένως, τα φωτόνια ακτίνων Χ που εκπέμπονται κατά την αντικατάσταση των κενών ηλεκτρονίων μπορούν επίσης να έχουν μόνο αυστηρά καθορισμένες τιμές ενέργειας, αντανακλώντας τη διαφορά στάθμης. Ως αποτέλεσμα, η χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ έχει φάσμα όχι συνεχούς, αλλά γραμμικού τύπου. Ένα τέτοιο φάσμα καθιστά δυνατό τον χαρακτηρισμό της ουσίας της ανόδου - εξ ου και το όνομα αυτών των ακτίνων. Ακριβώς λόγω των φασματικών διαφορών είναι ξεκάθαρο τι σημαίνει bremsstrahlung και χαρακτηριστικές ακτίνες Χ.
Μερικές φορές η πλεονάζουσα ενέργεια δεν εκπέμπεται από το άτομο, αλλά ξοδεύεται για να χτυπήσει το τρίτο ηλεκτρόνιο. Αυτή η διαδικασία - το λεγόμενο φαινόμενο Auger - είναι πιο πιθανό να συμβεί όταν η ενέργεια δέσμευσης ηλεκτρονίων δεν υπερβαίνει το 1 keV. Η ενέργεια του απελευθερωμένου ηλεκτρονίου Auger εξαρτάται από τη δομή των ενεργειακών επιπέδων του ατόμου, επομένως τα φάσματα τέτοιων ηλεκτρονίων είναι επίσης διακριτά.
Γενική άποψη του χαρακτηριστικού φάσματος
Στενές χαρακτηριστικές γραμμές υπάρχουν στο φασματικό μοτίβο ακτίνων Χ μαζί με ένα συνεχές φάσμα bremsstrahlung. Αν αναπαραστήσουμε το φάσμα ως διάγραμμα έντασης σε σχέση με το μήκος κύματος (συχνότητα), θα δούμε απότομες κορυφές στις θέσεις των γραμμών. Η θέση τους εξαρτάται από το υλικό της ανόδου. Αυτά τα μέγιστα υπάρχουν σε οποιαδήποτε διαφορά δυναμικού - αν υπάρχουν ακτίνες Χ, υπάρχουν πάντα και κορυφές. Με την αύξηση της τάσης στα ηλεκτρόδια του σωλήνα, η ένταση τόσο της συνεχούς όσο και της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ αυξάνεται, αλλά η θέση των κορυφών και η αναλογία των εντάσεων τους δεν αλλάζει.
Οι κορυφές στα φάσματα ακτίνων Χ έχουν το ίδιο σχήμα ανεξάρτητα από το υλικό της αντι-κάθοδος που ακτινοβολείται από ηλεκτρόνια, αλλά για διαφορετικά υλικά βρίσκονται σε διαφορετικές συχνότητες, ενώνονται σε σειρά ανάλογα με την εγγύτητα των τιμών συχνότητας. Μεταξύ των ίδιων των σειρών, η διαφορά στις συχνότητες είναι πολύ πιο σημαντική. Το σχήμα των μεγίστων δεν εξαρτάται σε καμία περίπτωση από το αν το υλικό της ανόδου αντιπροσωπεύει ένα καθαρό χημικό στοιχείο ή εάν είναι μια σύνθετη ουσία. Στην τελευταία περίπτωση, τα χαρακτηριστικά φάσματα ακτίνων Χ των συστατικών στοιχείων του απλώς υπερτίθενται το ένα πάνω στο άλλο.
Με την αύξηση του ατομικού αριθμού ενός χημικού στοιχείου, όλες οι γραμμές του φάσματος των ακτίνων Χ του μετατοπίζονται προς την αύξηση της συχνότητας. Το φάσμα διατηρεί τη μορφή του.
Ο νόμος του Moseley
Το φαινόμενο της φασματικής μετατόπισης χαρακτηριστικών γραμμών ανακαλύφθηκε πειραματικά από τον Άγγλο φυσικό Henry Moseley το 1913. Αυτό του επέτρεψε να συσχετίσει τις συχνότητες των μεγίστων του φάσματος με τους τακτικούς αριθμούς των χημικών στοιχείων. Έτσι, το μήκος κύματος της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ, όπως αποδείχθηκε, μπορεί σαφώς να συσχετιστεί με ένα συγκεκριμένο στοιχείο. Γενικά, ο νόμος του Moseley μπορεί να γραφτεί ως εξής: √f = (Z - S n)/n√R, όπου f είναι η συχνότητα, Z είναι ο τακτικός αριθμός του στοιχείου, S n είναι η σταθερά διαλογής, n είναι το κύριο κβάντο αριθμός και R είναι η σταθερά Rydberg. Αυτή η σχέση είναι γραμμική και εμφανίζεται στο διάγραμμα Moseley ως μια σειρά από ευθείες γραμμές για κάθε τιμή του n.
Οι τιμές του n αντιστοιχούν σε μεμονωμένες σειρές χαρακτηριστικών κορυφών ακτίνων Χ. Ο νόμος του Moseley επιτρέπει σε κάποιον να προσδιορίσει τον σειριακό αριθμό ενός χημικού στοιχείου που ακτινοβολείται από σκληρά ηλεκτρόνια από τα μετρούμενα μήκη κύματος (συσχετίζονται μοναδικά με τις συχνότητες) των μεγίστων του φάσματος ακτίνων Χ.
Η δομή των κελυφών ηλεκτρονίων των χημικών στοιχείων είναι πανομοιότυπη. Αυτό υποδεικνύεται από τη μονοτονία της αλλαγής μετατόπισης στο χαρακτηριστικό φάσμα της ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Η μετατόπιση συχνότητας αντανακλά όχι δομικές, αλλά ενεργειακές διαφορές μεταξύ των κελυφών ηλεκτρονίων, μοναδικές για κάθε στοιχείο.
Ο ρόλος του νόμου του Moseley στην ατομική φυσική
Υπάρχουν μικρές αποκλίσεις από την αυστηρή γραμμική σχέση που εκφράζει ο νόμος του Moseley. Συνδέονται, πρώτον, με τις ιδιαιτερότητες της σειράς πλήρωσης των φλοιών ηλεκτρονίων σε ορισμένα στοιχεία και, δεύτερον, με τις σχετικιστικές επιδράσεις της κίνησης των ηλεκτρονίων σε βαριά άτομα. Επιπλέον, όταν ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα αλλάζει (η λεγόμενη ισοτοπική μετατόπιση), η θέση των γραμμών μπορεί να αλλάξει ελαφρώς. Αυτό το φαινόμενο κατέστησε δυνατή τη λεπτομερή μελέτη της ατομικής δομής.
Η σημασία του νόμου του Moseley είναι εξαιρετικά μεγάλη. Η συνεπής εφαρμογή του στα στοιχεία του περιοδικού συστήματος του Mendeleev καθιέρωσε το μοτίβο της αύξησης του σειριακού αριθμού σύμφωνα με κάθε μικρή μετατόπιση στα χαρακτηριστικά μέγιστα. Αυτό συνέβαλε στη διευκρίνιση του ζητήματος της φυσικής σημασίας του τακτικού αριθμού στοιχείων. Η τιμή Z δεν είναι απλώς ένας αριθμός: είναι το θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα, το οποίο είναι το άθροισμα των μοναδιαίων θετικών φορτίων των σωματιδίων που τον αποτελούν. Η σωστή τοποθέτηση στοιχείων στον πίνακα και η παρουσία κενών θέσεων σε αυτόν (τότε υπήρχαν ακόμα) έλαβε ισχυρή επιβεβαίωση. Η εγκυρότητα του περιοδικού νόμου αποδείχθηκε.
Ο νόμος του Moseley, επιπλέον, έγινε η βάση πάνω στην οποία προέκυψε μια ολόκληρη περιοχή πειραματικής έρευνας - φασματομετρία ακτίνων Χ.
Η δομή των κελυφών ηλεκτρονίων του ατόμου
Ας θυμηθούμε εν συντομία πώς είναι διατεταγμένη η ηλεκτρονική δομή Αποτελείται από κελύφη, που συμβολίζονται με τα γράμματα K, L, M, N, O, P, Q ή αριθμούς από το 1 έως το 7. Τα ηλεκτρόνια μέσα στο κέλυφος χαρακτηρίζονται από το ίδιο κύριος κβαντικός αριθμός n, ο οποίος καθορίζει τις πιθανές τιμές ενέργειας. Στα εξωτερικά κελύφη, η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη και το δυναμικό ιοντισμού για τα εξωτερικά ηλεκτρόνια είναι αντίστοιχα χαμηλότερο.
Το κέλυφος περιλαμβάνει ένα ή περισσότερα υποεπίπεδα: s, p, d, f, g, h, i. Σε κάθε κέλυφος, ο αριθμός των υποεπιπέδων αυξάνεται κατά ένα σε σύγκριση με το προηγούμενο. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε κάθε υποεπίπεδο και σε κάθε φλοιό δεν μπορεί να υπερβαίνει μια ορισμένη τιμή. Χαρακτηρίζονται, εκτός από τον κύριο κβαντικό αριθμό, από την ίδια τιμή του τροχιακού νέφους ηλεκτρονίων που καθορίζει το σχήμα. Τα υποεπίπεδα επισημαίνονται με το κέλυφος στο οποίο ανήκουν, όπως 2s, 4d και ούτω καθεξής.
Το υποεπίπεδο περιέχει τα οποία ορίζονται, εκτός από τον κύριο και τον τροχιακό, από έναν ακόμη κβαντικό αριθμό - μαγνητικό, ο οποίος καθορίζει την προβολή της τροχιακής ορμής του ηλεκτρονίου στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Ένα τροχιακό δεν μπορεί να έχει περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια, που διαφέρουν στην τιμή του τέταρτου κβαντικού αριθμού - σπιν.
Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα πώς προκύπτει η χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ. Δεδομένου ότι η προέλευση αυτού του τύπου ηλεκτρομαγνητικής εκπομπής σχετίζεται με φαινόμενα που συμβαίνουν μέσα στο άτομο, είναι πιο βολικό να το περιγράψουμε ακριβώς με την προσέγγιση των ηλεκτρονικών διαμορφώσεων.
Ο μηχανισμός δημιουργίας χαρακτηριστικών ακτίνων Χ
Έτσι, η αιτία αυτής της ακτινοβολίας είναι ο σχηματισμός κενών ηλεκτρονίων στα εσωτερικά κελύφη, λόγω της διείσδυσης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας βαθιά μέσα στο άτομο. Η πιθανότητα να αλληλεπιδράσει ένα σκληρό ηλεκτρόνιο αυξάνεται με την πυκνότητα των νεφών ηλεκτρονίων. Επομένως, οι συγκρούσεις είναι πιθανότατα μέσα σε πυκνά συσκευασμένα εσωτερικά κελύφη, όπως το χαμηλότερο κέλυφος Κ. Εδώ το άτομο ιονίζεται και δημιουργείται ένα κενό στο κέλυφος 1s.
Αυτό το κενό καλύπτεται από ένα ηλεκτρόνιο από το κέλυφος με υψηλότερη ενέργεια, η περίσσεια της οποίας παρασύρεται από το φωτόνιο ακτίνων Χ. Αυτό το ηλεκτρόνιο μπορεί να «πέσει» από το δεύτερο φλοιό L, από το τρίτο φλοιό M κ.ο.κ. Έτσι σχηματίζεται η χαρακτηριστική σειρά, σε αυτό το παράδειγμα, η σειρά K. Μια ένδειξη για το από πού προέρχεται το ηλεκτρόνιο που γεμίζει την κενή θέση δίνεται με τη μορφή ελληνικού δείκτη κατά τον προσδιορισμό της σειράς. "Alpha" σημαίνει ότι προέρχεται από το L-shell, "beta" - από το M-shell. Προς το παρόν, υπάρχει μια τάση να αντικατασταθούν οι δείκτες των ελληνικών γραμμάτων με τους λατινικούς που υιοθετούνται για τον προσδιορισμό των κοχυλιών.
Η ένταση της γραμμής άλφα στη σειρά είναι πάντα η υψηλότερη, πράγμα που σημαίνει ότι η πιθανότητα κάλυψης μιας κενής θέσης από ένα γειτονικό κέλυφος είναι η υψηλότερη.
Τώρα μπορούμε να απαντήσουμε στο ερώτημα, ποια είναι η μέγιστη ενέργεια του χαρακτηριστικού κβαντικού ακτίνων Χ. Καθορίζεται από τη διαφορά στις ενεργειακές τιμές των επιπέδων μεταξύ των οποίων συμβαίνει η μετάβαση ηλεκτρονίων, σύμφωνα με τον τύπο E \u003d E n 2 - E n 1, όπου E n 2 και E n 1 είναι οι ενέργειες των ηλεκτρονικών καταστάσεων μεταξύ των οποίων έγινε η μετάβαση. Η υψηλότερη τιμή αυτής της παραμέτρου δίνεται από μεταβάσεις της σειράς Κ από τα υψηλότερα δυνατά επίπεδα ατόμων βαρέων στοιχείων. Αλλά η ένταση αυτών των γραμμών (ύψη κορυφής) είναι η μικρότερη, αφού είναι οι λιγότερο πιθανές.
Εάν, λόγω ανεπαρκούς τάσης στα ηλεκτρόδια, ένα σκληρό ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να φτάσει στο επίπεδο Κ, δημιουργεί μια κενή θέση στο επίπεδο L και σχηματίζεται μια λιγότερο ενεργητική σειρά L με μεγαλύτερα μήκη κύματος. Οι επόμενες σειρές γεννιούνται με παρόμοιο τρόπο.
Επιπλέον, όταν καλυφθεί μια κενή θέση, εμφανίζεται μια νέα κενή θέση στο υπερκείμενο κέλυφος ως αποτέλεσμα μιας ηλεκτρονικής μετάβασης. Αυτό δημιουργεί τις προϋποθέσεις για τη δημιουργία της επόμενης σειράς. Τα ηλεκτρονικά κενά κινούνται ψηλότερα από επίπεδο σε επίπεδο και το άτομο εκπέμπει έναν καταρράκτη χαρακτηριστικών φασματικών σειρών, ενώ παραμένει ιονισμένο.
Λεπτή δομή χαρακτηριστικών φασμάτων
Τα ατομικά φάσματα ακτίνων Χ χαρακτηριστικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ χαρακτηρίζονται από λεπτή δομή, η οποία εκφράζεται, όπως στα οπτικά φάσματα, σε διάσπαση γραμμής.
Η λεπτή δομή οφείλεται στο γεγονός ότι η ενεργειακή στάθμη - το κέλυφος ηλεκτρονίων - είναι ένα σύνολο εξαρτημάτων σε κοντινή απόσταση - υποκελύφη. Για τον χαρακτηρισμό των υποφλοιών, εισάγεται ένας ακόμη εσωτερικός κβαντικός αριθμός j, ο οποίος αντανακλά την αλληλεπίδραση των εγγενών και των τροχιακών μαγνητικών ροπών του ηλεκτρονίου.
Λόγω της επιρροής της αλληλεπίδρασης σπιν-τροχιάς, η ενεργειακή δομή του ατόμου γίνεται πιο περίπλοκη, και ως αποτέλεσμα, η χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ έχει ένα φάσμα που χαρακτηρίζεται από διαχωρισμένες γραμμές με πολύ στενά διαχωρισμένα στοιχεία.
Τα στοιχεία λεπτής δομής συνήθως υποδηλώνονται με πρόσθετους ψηφιακούς δείκτες.
Η χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ έχει ένα χαρακτηριστικό που αντανακλάται μόνο στη λεπτή δομή του φάσματος. Η μετάβαση ενός ηλεκτρονίου στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο δεν συμβαίνει από το κατώτερο υποκέλυφος του υπερκείμενου επιπέδου. Ένα τέτοιο γεγονός έχει αμελητέα πιθανότητα.
Η χρήση των ακτίνων Χ στη φασματομετρία
Αυτή η ακτινοβολία, λόγω των χαρακτηριστικών της που περιγράφονται από το νόμο του Moseley, βασίζεται σε διάφορες φασματικές μεθόδους ακτίνων Χ για την ανάλυση ουσιών. Κατά την ανάλυση του φάσματος των ακτίνων Χ, χρησιμοποιούνται είτε περίθλαση της ακτινοβολίας από κρυστάλλους (μέθοδος διασποράς κυμάτων) είτε ανιχνευτές ευαίσθητοι στην ενέργεια των απορροφημένων φωτονίων ακτίνων Χ (μέθοδος διασποράς ενέργειας). Τα περισσότερα ηλεκτρονικά μικροσκόπια είναι εξοπλισμένα με κάποια μορφή προσάρτησης φασματομετρίας ακτίνων Χ.
Η φασματομετρία διασποράς κυμάτων χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλή ακρίβεια. Με τη βοήθεια ειδικών φίλτρων επιλέγονται οι πιο έντονες κορυφές στο φάσμα, χάρη στις οποίες είναι δυνατή η λήψη σχεδόν μονοχρωματικής ακτινοβολίας με επακριβώς γνωστή συχνότητα. Το υλικό της ανόδου επιλέγεται πολύ προσεκτικά για να διασφαλιστεί ότι λαμβάνεται μια μονοχρωματική δέσμη της επιθυμητής συχνότητας. Η περίθλασή του στο κρυσταλλικό πλέγμα της υπό μελέτη ουσίας καθιστά δυνατή τη μελέτη της δομής του πλέγματος με μεγάλη ακρίβεια. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης στη μελέτη του DNA και άλλων πολύπλοκων μορίων.
Ένα από τα χαρακτηριστικά της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ λαμβάνεται επίσης υπόψη στη φασματομετρία γάμμα. Αυτή είναι η υψηλή ένταση των χαρακτηριστικών κορυφών. Τα φασματόμετρα γάμμα χρησιμοποιούν θωράκιση μολύβδου έναντι της εξωτερικής ακτινοβολίας υποβάθρου που παρεμβαίνει στις μετρήσεις. Αλλά ο μόλυβδος, απορροφώντας γάμμα κβάντα, βιώνει εσωτερικό ιονισμό, με αποτέλεσμα να εκπέμπει ενεργά στην περιοχή ακτίνων Χ. Χρησιμοποιείται πρόσθετη θωράκιση καδμίου για την απορρόφηση των έντονων κορυφών της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ από τον μόλυβδο. Αυτό, με τη σειρά του, ιονίζεται και εκπέμπει επίσης ακτίνες Χ. Για την εξουδετέρωση των χαρακτηριστικών κορυφών του καδμίου, χρησιμοποιείται ένα τρίτο στρώμα θωράκισης - ο χαλκός, τα μέγιστα των ακτίνων Χ του οποίου βρίσκονται εκτός του εύρους συχνοτήτων λειτουργίας του φασματόμετρου γάμμα.
Η φασματομετρία χρησιμοποιεί τόσο bremsstrahlung όσο και χαρακτηριστικές ακτίνες Χ. Έτσι, στην ανάλυση ουσιών μελετώνται τα φάσματα απορρόφησης συνεχών ακτίνων Χ από διάφορες ουσίες.
1. Bremsstrahlung και χαρακτηριστικές ακτινογραφίες,
βασικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά.
Το 1895, ο Γερμανός επιστήμονας Roentgen ανακάλυψε για πρώτη φορά τη λάμψη μιας φθορίζουσας οθόνης, η οποία προκλήθηκε από ακτινοβολία αόρατη στο μάτι που προερχόταν από ένα τμήμα του γυαλιού του σωλήνα εκκένωσης αερίου που βρίσκεται απέναντι από την κάθοδο. Αυτό το είδος ακτινοβολίας είχε την ικανότητα να περνά μέσα από ουσίες αδιαπέραστες στο ορατό φως. Ο Ρέντγκεν τις ονόμασε ακτίνες Χ και καθιέρωσε τις βασικές ιδιότητες που καθιστούν δυνατή τη χρήση τους σε διάφορους κλάδους της επιστήμης και της τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένης της ιατρικής.
Η ακτινογραφία ονομάζεται ακτινοβολία με μήκος κύματος 80-10 -5 nm. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ μακρών κυμάτων επικαλύπτει την υπεριώδη ακτινοβολία βραχέων κυμάτων, η ακτινοβολία μακρών κυμάτων γ. Στην ιατρική χρησιμοποιείται ακτινοβολία ακτίνων Χ με μήκος κύματος από 10 έως 0,005 nm, που αντιστοιχεί σε ενέργεια φωτονίων από 10 2 EV έως 0,5 MeV. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ είναι αόρατη στο μάτι, επομένως, όλες οι παρατηρήσεις με αυτήν γίνονται χρησιμοποιώντας οθόνες φθορισμού ή φωτογραφικά φιλμ, καθώς προκαλεί φωταύγεια ακτίνων Χ και έχει φωτοχημικό αποτέλεσμα. Είναι χαρακτηριστικό ότι η πλειονότητα των σωμάτων που είναι αδιαπέραστα στην οπτική ακτινοβολία είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανή στην ακτινοβολία ακτίνων Χ, η οποία έχει κοινές ιδιότητες με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ωστόσο, λόγω του μικρού μήκους κύματος, ορισμένες ιδιότητες είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Επομένως, η κυματική φύση της ακτινοβολίας διαπιστώθηκε πολύ αργότερα από την ανακάλυψή τους.
Σύμφωνα με τη μέθοδο διέγερσης, η ακτινοβολία ακτίνων Χ χωρίζεται σε bremsstrahlung και χαρακτηριστική ακτινοβολία.
Οι ακτίνες Χ Bremsstrahlung οφείλονται στην επιβράδυνση των ταχέως κινούμενων ηλεκτρονίων από το ηλεκτρικό πεδίο του ατόμου (πυρήνας και ηλεκτρόνια) της ουσίας μέσω της οποίας πετούν. Ο μηχανισμός αυτής της ακτινοβολίας μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι κάθε κινούμενο φορτίο είναι ένα ρεύμα γύρω από το οποίο δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο, η επαγωγή (Β) του οποίου εξαρτάται από την ταχύτητα του ηλεκτρονίου. Κατά το φρενάρισμα, η μαγνητική επαγωγή μειώνεται και, σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell, εμφανίζεται ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Όταν τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται, μόνο ένα μέρος της ενέργειας πηγαίνει για τη δημιουργία ενός φωτονίου ακτίνων Χ, το άλλο μέρος δαπανάται για τη θέρμανση της ανόδου. Η συχνότητα (μήκος κύματος) ενός φωτονίου εξαρτάται από την αρχική κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου και την ένταση της επιβράδυνσής του. Επιπλέον, ακόμη και αν η αρχική κινητική ενέργεια είναι η ίδια, τότε οι συνθήκες επιβράδυνσης στην ουσία θα είναι διαφορετικές, επομένως, τα εκπεμπόμενα φωτόνια θα έχουν την πιο διαφορετική ενέργεια και, κατά συνέπεια, το μήκος κύματος, δηλ. το φάσμα των ακτίνων Χ θα είναι συνεχές. Το σχήμα 1 δείχνει το φάσμα bremsstrahlung σε διάφορες τάσεις U 1
.
Εάν το U εκφράζεται σε kilovolt και λαμβάνεται υπόψη η αναλογία μεταξύ άλλων ποσοτήτων, τότε ο τύπος μοιάζει με: l k \u003d 1,24 / U (nm) ή l k \u003d 1,24 / U (Å) (1Å \u003d 10 -10 m ).
Από τα παραπάνω γραφήματα, μπορεί να διαπιστωθεί ότι το μήκος κύματος l m, το οποίο αντιπροσωπεύει τη μέγιστη ενέργεια ακτινοβολίας, βρίσκεται σε σταθερή σχέση με το οριακό μήκος κύματος l k:
.
Το μήκος κύματος χαρακτηρίζει την ενέργεια ενός φωτονίου, από την οποία εξαρτάται η διεισδυτική ισχύς της ακτινοβολίας όταν αλληλεπιδρά με την ύλη.
Οι ακτίνες Χ μικρού μήκους κύματος συνήθως έχουν υψηλή διεισδυτική ισχύ και ονομάζονται σκληρές, ενώ οι ακτίνες Χ μεγάλου μήκους κύματος ονομάζονται μαλακές. Όπως φαίνεται από τον παραπάνω τύπο, το μήκος κύματος στο οποίο πέφτει η μέγιστη ενέργεια ακτινοβολίας είναι αντιστρόφως ανάλογο με την τάση μεταξύ της ανόδου και της καθόδου του σωλήνα. Αυξάνοντας την τάση στην άνοδο του σωλήνα ακτίνων Χ, αλλάξτε τη φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας και αυξήστε τη σκληρότητά της.
Όταν αλλάζει η τάση του νήματος (αλλάζει η θερμοκρασία του νήματος της καθόδου), αλλάζει ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την κάθοδο ανά μονάδα χρόνου ή, κατά συνέπεια, η ισχύς του ρεύματος στο κύκλωμα ανόδου του σωλήνα. Σε αυτή την περίπτωση, η ισχύς ακτινοβολίας αλλάζει ανάλογα με την πρώτη ισχύ του ρεύματος. Η φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας δεν θα αλλάξει.
Η συνολική ροή (ισχύς) της ακτινοβολίας, η κατανομή της ενέργειας στα μήκη κύματος, καθώς και το όριο του φάσματος στην πλευρά των βραχέων μηκών κύματος εξαρτώνται από τους ακόλουθους τρεις παράγοντες: την τάση U, η οποία επιταχύνει τα ηλεκτρόνια και εφαρμόζεται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου του σωλήνα? ο αριθμός των ηλεκτρονίων που συμμετέχουν στο σχηματισμό της ακτινοβολίας, δηλ. ρεύμα νήματος σωλήνα? ατομικός αριθμός Z του υλικού ανόδου, στο οποίο συμβαίνει η επιβράδυνση του ηλεκτρονίου.
Η ροή bremsstrahlung υπολογίζεται με τον τύπο: , όπου 
,
Ζ-σειριακός αριθμός ενός ατόμου μιας ουσίας (ατομικός αριθμός).
Αυξάνοντας την τάση στο σωλήνα ακτίνων Χ, μπορεί κανείς να παρατηρήσει την εμφάνιση ξεχωριστών γραμμών (φάσμα γραμμής) στο φόντο της συνεχούς ακτινοβολίας bremsstrahlung, η οποία αντιστοιχεί στη χαρακτηριστική ακτινοβολία ακτίνων Χ. Εμφανίζεται κατά τη μετάβαση των ηλεκτρονίων μεταξύ των εσωτερικών φλοιών των ατόμων σε μια ουσία (κελύφη K, L, M). Ο γραμμικός χαρακτήρας του χαρακτηριστικού φάσματος ακτινοβολίας προκύπτει λόγω του γεγονότος ότι τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια διεισδύουν βαθιά στα άτομα και βγάζουν ηλεκτρόνια από τα εσωτερικά τους στρώματα έξω από το άτομο. Τα ηλεκτρόνια (Εικ. 2) από τα ανώτερα στρώματα περνούν σε ελεύθερες θέσεις, με αποτέλεσμα να εκπέμπονται φωτόνια ακτίνων Χ με συχνότητα που αντιστοιχεί στη διαφορά στα επίπεδα ενέργειας μετάβασης. Οι γραμμές στο φάσμα της χαρακτηριστικής ακτινοβολίας συνδυάζονται σε σειρές που αντιστοιχούν σε μεταπτώσεις ηλεκτρονίων με υψηλότερο επίπεδο στο επίπεδο των K, L, M.
Η εξωτερική δράση, ως αποτέλεσμα της οποίας το ηλεκτρόνιο χτυπιέται έξω από τα εσωτερικά στρώματα, πρέπει να είναι αρκετά ισχυρή. Σε αντίθεση με τα οπτικά φάσματα, τα χαρακτηριστικά φάσματα ακτίνων Χ διαφορετικών ατόμων είναι του ίδιου τύπου. Η ομοιομορφία αυτών των φασμάτων οφείλεται στο γεγονός ότι τα εσωτερικά στρώματα διαφορετικών ατόμων είναι τα ίδια και διαφέρουν μόνο ενεργειακά, επειδή η επίδραση της δύναμης από την πλευρά του πυρήνα αυξάνεται όσο αυξάνεται ο τακτικός αριθμός του στοιχείου. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά φάσματα μετατοπίζονται προς υψηλότερες συχνότητες με αυξανόμενο πυρηνικό φορτίο. Αυτή η σχέση είναι γνωστή ως νόμος του Moseley: 
, όπου τα Α και Β είναι σταθερές. Αριθμός τάξης Z του στοιχείου.
Υπάρχει μια άλλη διαφορά μεταξύ των ακτίνων Χ και των οπτικών φασμάτων. Το χαρακτηριστικό φάσμα ενός ατόμου δεν εξαρτάται από τη χημική ένωση στην οποία περιλαμβάνεται το άτομο. Έτσι, για παράδειγμα, το φάσμα ακτίνων Χ του ατόμου οξυγόνου είναι το ίδιο για τα O, O 2, H 2 O, ενώ τα οπτικά φάσματα αυτών των ενώσεων είναι σημαντικά διαφορετικά. Αυτό το χαρακτηριστικό των φασμάτων ακτίνων Χ των ατόμων χρησίμευσε ως βάση για το όνομα "χαρακτηριστικό".
Χαρακτηριστική ακτινοβολία εμφανίζεται κάθε φορά που υπάρχουν ελεύθερες θέσεις στα εσωτερικά στρώματα ενός ατόμου, ανεξάρτητα από τους λόγους που την προκάλεσαν. Για παράδειγμα, συνοδεύει έναν από τους τύπους ραδιενεργής διάσπασης, που συνίσταται στη σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από το εσωτερικό στρώμα από τον πυρήνα.
2. Η συσκευή των σωλήνων ακτίνων Χ και των πρωτόζωων
μηχάνη ακτίνων Χ.
Η πιο κοινή πηγή ακτινοβολίας ακτίνων Χ είναι ένας σωλήνας ακτίνων Χ - μια συσκευή κενού δύο ηλεκτροδίων (Εικ. 3). Είναι ένα γυάλινο δοχείο (p = 10 -6 - 10 -7 mm Hg) με δύο ηλεκτρόδια - άνοδο Α και κάθοδο Κ, μεταξύ των οποίων δημιουργείται υψηλή τάση. Η θερμαινόμενη κάθοδος (Κ) εκπέμπει ηλεκτρόνια. Η άνοδος Α αναφέρεται συχνά ως αντικάθοδος. Έχει μια κεκλιμένη επιφάνεια για να κατευθύνει την προκύπτουσα ακτινοβολία ακτίνων Χ υπό γωνία ως προς τον άξονα του σωλήνα. Η άνοδος είναι κατασκευασμένη από μέταλλο με καλή θερμική αγωγιμότητα (χαλκός) για την απομάκρυνση της θερμότητας που παράγεται από την πρόσκρουση των ηλεκτρονίων. Στο λοξότμητο άκρο της ανόδου υπάρχει μια πλάκα Ζ από πυρίμαχο μέταλλο (βολφράμιο) με υψηλό ατομικό αριθμό, που ονομάζεται κάτοπτρο ανόδου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η άνοδος ψύχεται ειδικά με νερό ή λάδι. Για τους διαγνωστικούς σωλήνες, η ακρίβεια της πηγής ακτίνων Χ είναι σημαντική, η οποία μπορεί να επιτευχθεί εστιάζοντας τα ηλεκτρόνια σε ένα σημείο της ανόδου. Επομένως, εποικοδομητικά, πρέπει να ληφθούν υπόψη δύο αντίθετες εργασίες: αφενός, τα ηλεκτρόνια πρέπει να πέσουν σε ένα σημείο της ανόδου, αφετέρου, για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση, είναι επιθυμητό να διανεμηθούν ηλεκτρόνια σε διαφορετικά μέρη η άνοδος. Για το λόγο αυτό, ορισμένοι σωλήνες ακτίνων Χ κατασκευάζονται με περιστρεφόμενη άνοδο.
Σε έναν σωλήνα οποιουδήποτε σχεδίου, τα ηλεκτρόνια που επιταχύνονται από την τάση μεταξύ της ανόδου και της καθόδου πέφτουν στον καθρέφτη της ανόδου και διεισδύουν βαθιά στην ουσία, αλληλεπιδρούν με τα άτομα και επιβραδύνονται από το πεδίο των ατόμων. Αυτό παράγει ακτίνες Χ bremsstrahlung. Ταυτόχρονα με το bremsstrahlung, σχηματίζεται μια μικρή ποσότητα (αρκετά τοις εκατό) χαρακτηριστικής ακτινοβολίας. Μόνο το 1-2% των ηλεκτρονίων που χτυπούν την άνοδο προκαλούν bremsstrahlung και τα υπόλοιπα προκαλούν θερμικό αποτέλεσμα. Για τη συγκέντρωση των ηλεκτρονίων, η κάθοδος έχει ένα καπάκι οδηγό. Το τμήμα του κατόπτρου βολφραμίου στο οποίο πέφτει η κύρια ροή ηλεκτρονίων ονομάζεται εστία του σωλήνα. Το πλάτος της δέσμης ακτινοβολίας εξαρτάται από την περιοχή της (ευκρίνεια εστίασης).
Για την τροφοδοσία του σωλήνα, απαιτούνται δύο πηγές: μια πηγή υψηλής τάσης για το κύκλωμα ανόδου και μια πηγή χαμηλής τάσης (6-8 V) για την τροφοδοσία του κυκλώματος νήματος. Και οι δύο πηγές πρέπει να ρυθμίζονται ανεξάρτητα. Με την αλλαγή της τάσης ανόδου, ρυθμίζεται η σκληρότητα της ακτινοβολίας ακτίνων Χ και αλλάζοντας την πυράκτωση, το ρεύμα του κυκλώματος εξόδου και, κατά συνέπεια, την ισχύ ακτινοβολίας.
Σχηματικό διάγραμμα του απλούστερου μηχανήματος ακτίνων Χ φαίνεται στο Σχ.4. Το κύκλωμα διαθέτει δύο μετασχηματιστές υψηλής τάσης Tr.1 και Tr.2 για την τροφοδοσία του νήματος. Η υψηλή τάση στο σωλήνα ρυθμίζεται από έναν αυτομετασχηματιστή Tr.3 που συνδέεται με την κύρια περιέλιξη του μετασχηματιστή Tr.1. Ο διακόπτης K ρυθμίζει τον αριθμό των στροφών της περιέλιξης του αυτομετασχηματιστή. Από αυτή την άποψη, η τάση της δευτερεύουσας περιέλιξης του μετασχηματιστή, που παρέχεται στην άνοδο του σωλήνα, αλλάζει επίσης, δηλ. η σκληρότητα είναι ρυθμιζόμενη.
Το ρεύμα νήματος του σωλήνα ρυθμίζεται από έναν ρεοστάτη R, που περιλαμβάνεται στο πρωτεύον κύκλωμα του μετασχηματιστή Tr.2. Το ρεύμα του κυκλώματος ανόδου μετριέται με ένα χιλιοστόμετρο. Η τάση που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια του σωλήνα μετριέται με ένα κιλοβολτόμετρο kV ή η τάση στο κύκλωμα ανόδου μπορεί να κριθεί από τη θέση του διακόπτη Κ. Το ρεύμα του νήματος, που ρυθμίζεται από τον ρεοστάτη, μετράται με ένα αμπερόμετρο Α. Το υπό εξέταση σχήμα, ο σωλήνας ακτίνων Χ διορθώνει ταυτόχρονα μια υψηλή εναλλασσόμενη τάση.
Είναι εύκολο να δούμε ότι ένας τέτοιος σωλήνας ακτινοβολεί μόνο σε ένα μισό κύκλο εναλλασσόμενου ρεύματος. Επομένως, η ισχύς του θα είναι μικρή. Προκειμένου να αυξηθεί η ακτινοβολούμενη ισχύς, πολλές συσκευές χρησιμοποιούν ανορθωτές ακτίνων Χ υψηλής τάσης πλήρους κύματος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται 4 ειδικά kenotrons, τα οποία συνδέονται σε κύκλωμα γέφυρας. Ένας σωλήνας ακτίνων Χ περιλαμβάνεται σε μία διαγώνιο της γέφυρας.
3. Αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ με την ύλη
(συνεκτική σκέδαση, ασυνάρτητη σκέδαση, φωτοηλεκτρικό φαινόμενο).
Όταν οι ακτίνες Χ πέφτουν σε ένα σώμα, αυτό αντανακλάται από αυτό σε μικρή ποσότητα, αλλά κυρίως περνά βαθιά μέσα. Στη μάζα του σώματος, η ακτινοβολία απορροφάται εν μέρει, μερικώς διασκορπίζεται και εν μέρει διέρχεται. Περνώντας μέσα από το σώμα, τα φωτόνια των ακτίνων Χ αλληλεπιδρούν κυρίως με τα ηλεκτρόνια των ατόμων και των μορίων της ουσίας. Η καταγραφή και η χρήση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ, καθώς και η επίδρασή της σε βιολογικά αντικείμενα, καθορίζονται από τις πρωταρχικές διαδικασίες αλληλεπίδρασης ενός φωτονίου ακτίνων Χ με τα ηλεκτρόνια. Τρεις κύριες διεργασίες λαμβάνουν χώρα ανάλογα με την αναλογία της ενέργειας των φωτονίων Ε και της ενέργειας ιονισμού AI.
ΕΝΑ)συνεκτική διασπορά.
Η σκέδαση των ακτίνων Χ μεγάλου μήκους κύματος συμβαίνει κυρίως χωρίς αλλαγή του μήκους κύματος και ονομάζεται συνεκτική. Η αλληλεπίδραση ενός φωτονίου με τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών φλοιών, στενά συνδεδεμένα με τον πυρήνα, αλλάζει μόνο την κατεύθυνσή του, χωρίς να αλλάζει την ενέργειά του, και ως εκ τούτου το μήκος κύματος (Εικ. 5).
Η συνεκτική σκέδαση συμβαίνει εάν η ενέργεια του φωτονίου είναι μικρότερη από την ενέργεια ιοντισμού: 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.
σι)Ασυνάρτητη σκέδαση (φαινόμενο Compton).
Το 1922, ο A. Compton, παρατηρώντας τη σκέδαση σκληρών ακτίνων Χ, ανακάλυψε μια μείωση στη διεισδυτική ισχύ της διάσπαρτης δέσμης σε σύγκριση με την προσπίπτουσα δέσμη. Η σκέδαση των ακτίνων Χ με μεταβαλλόμενο μήκος κύματος ονομάζεται φαινόμενο Compton. Εμφανίζεται όταν ένα φωτόνιο οποιασδήποτε ενέργειας αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών φλοιών των ατόμων που είναι ασθενώς συνδεδεμένα με τον πυρήνα (Εικ. 6). Ένα ηλεκτρόνιο αποσπάται από ένα άτομο (τέτοια ηλεκτρόνια ονομάζονται ηλεκτρόνια ανάκρουσης). Η ενέργεια του φωτονίου μειώνεται (το μήκος κύματος αυξάνεται ανάλογα), αλλά και η κατεύθυνση της κίνησής του. Το φαινόμενο Compton εμφανίζεται εάν η ενέργεια των φωτονίων των ακτίνων Χ είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ιονισμού: , . Στην περίπτωση αυτή εμφανίζονται ηλεκτρόνια ανάκρουσης με κινητική ενέργεια Ε Κ. Τα άτομα και τα μόρια γίνονται ιόντα. Εάν το E K είναι σημαντικό, τότε τα ηλεκτρόνια μπορούν να ιονίσουν γειτονικά άτομα με σύγκρουση, σχηματίζοντας νέα (δευτερεύοντα) ηλεκτρόνια.
V)Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Εάν η ενέργεια ενός φωτονίου hn είναι αρκετή για να αποσπάσει ένα ηλεκτρόνιο, τότε όταν αλληλεπιδρά με ένα άτομο, το φωτόνιο απορροφάται και το ηλεκτρόνιο αποσπάται από αυτό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Το άτομο ιονίζεται (φωτοϊνοποίηση). Στην περίπτωση αυτή, το ηλεκτρόνιο αποκτά κινητική ενέργεια και, αν η τελευταία 
είναι σημαντικό, τότε μπορεί να ιονίσει γειτονικά άτομα με σύγκρουση, σχηματίζοντας νέα (δευτερεύοντα) ηλεκτρόνια. Εάν η ενέργεια του φωτονίου είναι ανεπαρκής για ιονισμό, τότε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να εκδηλωθεί με τη διέγερση ενός ατόμου ή μορίου. Σε ορισμένες ουσίες, αυτό οδηγεί στην επακόλουθη εκπομπή φωτονίων στην περιοχή της ορατής ακτινοβολίας (φωταύγεια ακτίνων Χ) και στους ιστούς, στην ενεργοποίηση μορίων και φωτοχημικών αντιδράσεων.
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι χαρακτηριστικό για φωτόνια με ενέργεια της τάξης των 0,5-1 MeV.
Οι τρεις κύριες διαδικασίες αλληλεπίδρασης που συζητήθηκαν παραπάνω είναι πρωτογενείς, οδηγούν σε επακόλουθες δευτερογενείς, τριτογενείς κ.λπ. πρωτοφανής. Όταν η ακτινοβολία ακτίνων Χ εισέρχεται σε μια ουσία, μπορεί να συμβεί μια σειρά από διεργασίες πριν η ενέργεια ενός φωτονίου ακτίνων Χ μετατραπεί σε ενέργεια θερμικής κίνησης.
Ως αποτέλεσμα των παραπάνω διεργασιών, η πρωτογενής ροή ακτίνων Χ εξασθενεί. Αυτή η διαδικασία υπακούει στο νόμο του Bouguer. Το γράφουμε με τη μορφή: Ф =Ф 0 e - mx, όπου m είναι ένας γραμμικός συντελεστής εξασθένησης που εξαρτάται από τη φύση της ουσίας (κυρίως από την πυκνότητα και τον ατομικό αριθμό) και από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας (ενέργεια φωτονίων). Μπορεί να αναπαρασταθεί ως αποτελούμενο από τρεις όρους που αντιστοιχούν στη συνεκτική σκέδαση, την ασυνάρτητη σκέδαση και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: 
.
Δεδομένου ότι ο γραμμικός συντελεστής απορρόφησης εξαρτάται από την πυκνότητα της ουσίας, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται ο συντελεστής εξασθένησης μάζας, ο οποίος είναι ίσος με τον λόγο του γραμμικού συντελεστή εξασθένησης προς την πυκνότητα του απορροφητή και δεν εξαρτάται από την πυκνότητα της ουσίας . Η εξάρτηση της ροής ακτίνων Χ (έντασης) από το πάχος του απορροφητικού φίλτρου φαίνεται στο Σχ. 7 για H 2 O, Al και Cu. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ένα στρώμα νερού πάχους 36 mm, αλουμινίου 15 mm και χαλκού 1,6 mm μειώνουν την ένταση των ακτίνων Χ κατά 2 φορές. Αυτό το πάχος ονομάζεται πάχος μισού στρώματος d. Εάν μια ουσία εξασθενεί την ακτινοβολία ακτίνων Χ κατά το ήμισυ, τότε 
, Επειτα 
, ή , 
; ; . Γνωρίζοντας το πάχος του μισού στρώματος, μπορείτε πάντα να προσδιορίσετε το m. Διάσταση .
4. Η χρήση των ακτίνων Χ στην ιατρική
(ακτινοσκόπηση, ακτινογραφία, ακτινογραφία, ακτινογραφία, ακτινοθεραπεία).
Μία από τις πιο κοινές εφαρμογές των ακτίνων Χ στην ιατρική είναι ο διαφωτισμός των εσωτερικών οργάνων για διαγνωστικούς σκοπούς - ακτινογραφία.
Για τη διάγνωση, χρησιμοποιούνται φωτόνια με ενέργεια 60-120 keV. Στην περίπτωση αυτή, ο συντελεστής απορρόφησης μάζας καθορίζεται κυρίως από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η τιμή του είναι ανάλογη του l 3 (στην οποία εκδηλώνεται η μεγάλη διεισδυτική ισχύς της σκληρής ακτινοβολίας) και ανάλογη με την τρίτη ισχύ του αριθμού των ατόμων της ουσίας - απορροφητής: , όπου Κ είναι ο συντελεστής αναλογικότητας.
Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από ιστούς και όργανα που έχουν διαφορετική απορροφητική ικανότητα σε σχέση με τις ακτίνες Χ. Επομένως, όταν φωτίζεται με ακτίνες Χ, λαμβάνεται μια ανομοιόμορφη εικόνα σκιάς στην οθόνη, η οποία δίνει μια εικόνα της θέσης των εσωτερικών οργάνων και ιστών. Οι πιο πυκνοί ιστοί που απορροφούν την ακτινοβολία (καρδιά, μεγάλα αγγεία, οστά) φαίνονται ως σκούροι, ενώ οι λιγότερο απορροφητικοί ιστοί (πνεύμονες) φαίνονται ως φωτεινοί.
Σε πολλές περιπτώσεις, είναι δυνατό να κριθεί η φυσιολογική ή παθολογική τους κατάσταση. Η διάγνωση με ακτίνες Χ χρησιμοποιεί δύο κύριες μεθόδους: ακτινοσκόπηση (μετάδοση) και ακτινογραφία (εικόνα). Εάν το υπό μελέτη όργανο και οι ιστοί που το περιβάλλουν απορροφούν σχεδόν εξίσου τη ροή ακτίνων Χ, τότε χρησιμοποιούνται ειδικά σκιαγραφικά. Έτσι, για παράδειγμα, την παραμονή μιας ακτινολογικής εξέτασης του στομάχου ή των εντέρων, δίνεται μια χυλώδης μάζα θειικού βαρίου, οπότε μπορεί κανείς να δει τη σκιώδη εικόνα τους. Στην ακτινοσκόπηση και την ακτινογραφία, μια εικόνα ακτίνων Χ είναι μια συνοπτική εικόνα όλου του πάχους του αντικειμένου από το οποίο περνούν οι ακτίνες Χ. Οι πιο ξεκάθαρες είναι εκείνες οι λεπτομέρειες που είναι πιο κοντά στην οθόνη ή την ταινία και οι μακρινές γίνονται ασαφείς και θολές. Εάν σε κάποιο όργανο υπάρχει μια παθολογικά αλλοιωμένη περιοχή, για παράδειγμα, η καταστροφή του πνευμονικού ιστού μέσα σε μια εκτεταμένη εστία φλεγμονής, τότε σε ορισμένες περιπτώσεις αυτή η περιοχή στην ακτινογραφία σε ποσότητα σκιών μπορεί να "χαθεί". Για να γίνει ορατό, χρησιμοποιείται μια ειδική μέθοδος - τομογραφία (στρωματική καταγραφή), η οποία σας επιτρέπει να τραβήξετε φωτογραφίες μεμονωμένων στρωμάτων της υπό μελέτη περιοχής. Αυτό το είδος τομογραφημάτων στρώμα προς στρώμα λαμβάνεται χρησιμοποιώντας μια ειδική συσκευή που ονομάζεται τομογράφος, στην οποία ο σωλήνας ακτίνων Χ (RT) και το φιλμ (Fp) μετακινούνται περιοδικά, από κοινού, σε αντιφάση σε σχέση με την περιοχή μελέτης. Σε αυτή την περίπτωση, οι ακτίνες Χ σε οποιαδήποτε θέση του RT θα περάσουν από το ίδιο σημείο του αντικειμένου (μεταβαλλόμενη περιοχή), που είναι το κέντρο σε σχέση με το οποίο κινούνται περιοδικά το RT και το FP. Η σκιώδης εικόνα της περιοχής θα αποτυπωθεί σε φιλμ. Αλλάζοντας τη θέση του "κέντρου αιώρησης", είναι δυνατό να ληφθούν εικόνες του αντικειμένου σε επίπεδα. Χρησιμοποιώντας μια λεπτή δέσμη ακτίνων Χ, μια ειδική οθόνη (αντί για Fp) που αποτελείται από ανιχνευτές ημιαγωγών ιονίζουσας ακτινοβολίας, είναι δυνατή η επεξεργασία της εικόνας κατά τη διάρκεια της τομογραφίας χρησιμοποιώντας υπολογιστή. Αυτή η σύγχρονη παραλλαγή τομογραφίας ονομάζεται υπολογιστική τομογραφία. Η τομογραφία χρησιμοποιείται ευρέως στη μελέτη των πνευμόνων, των νεφρών, της χοληδόχου κύστης, του στομάχου, των οστών κ.λπ.
Η φωτεινότητα της εικόνας στην οθόνη και ο χρόνος έκθεσης στο φιλμ εξαρτώνται από την ένταση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Όταν το χρησιμοποιείτε για διαγνωστικά, η ένταση δεν μπορεί να είναι υψηλή, ώστε να μην προκληθεί ανεπιθύμητη βιολογική επίδραση. Επομένως, υπάρχει μια σειρά από τεχνικές συσκευές που βελτιώνουν τη φωτεινότητα της εικόνας σε χαμηλές εντάσεις ακτίνων Χ. Μία από αυτές τις συσκευές είναι ένας σωλήνας ενίσχυσης εικόνας.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι η φθορογραφία, στην οποία λαμβάνεται μια εικόνα σε ένα ευαίσθητο φιλμ μικρού φορμά από μια μεγάλη οθόνη φωταύγειας ακτίνων Χ. Κατά τη λήψη, χρησιμοποιείται ένας φακός μεγάλου διαφράγματος, οι τελικές εικόνες εξετάζονται σε ειδικό μεγεθυντικό φακό.
Η ακτινογραφία συνδυάζει τη μεγάλη ικανότητα ανίχνευσης λανθάνοντων ασθενειών (ασθένειες του θώρακα, του γαστρεντερικού σωλήνα, των παραρρίνιων κόλπων, κ.λπ.) με σημαντική απόδοση, και ως εκ τούτου είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος μαζικής έρευνας (in-line).
Εφόσον η φωτογράφιση μιας εικόνας ακτίνων Χ κατά τη διάρκεια της ακτινογραφίας πραγματοποιείται με τη χρήση φωτογραφικών οπτικών, η εικόνα στο ακτινογράφημα μειώνεται σε σύγκριση με την ακτινογραφία. Από αυτή την άποψη, η ανάλυση του ακτινογραφήματος (δηλαδή η ορατότητα των μικρών λεπτομερειών) είναι μικρότερη από αυτή μιας συμβατικής ακτινογραφίας, ωστόσο, είναι μεγαλύτερη από ό,τι με τη ακτινοσκόπηση.
Σχεδιάστηκε μια συσκευή - ένας τομοφθορογράφος, ο οποίος καθιστά δυνατή τη λήψη φθορογραφημάτων μερών του σώματος και μεμονωμένων οργάνων σε ένα δεδομένο βάθος - τις λεγόμενες εικόνες σε στρώματα (τμήματα) - τομοφθορογραφήματα.
Η ακτινοβολία με ακτίνες Χ χρησιμοποιείται και για θεραπευτικούς σκοπούς (ακτινοθεραπεία). Η βιολογική επίδραση της ακτινοβολίας είναι να διαταράξει τη ζωτική δραστηριότητα των κυττάρων, ιδιαίτερα των ταχέως αναπτυσσόμενων. Από αυτή την άποψη, η ακτινοθεραπεία χρησιμοποιείται για να επηρεάσει κακοήθεις όγκους. Είναι δυνατή η επιλογή μιας δόσης ακτινοβολίας επαρκής για την πλήρη καταστροφή του όγκου με σχετικά μικρή βλάβη στους περιβάλλοντες υγιείς ιστούς, οι οποίοι αποκαθίστανται λόγω της επακόλουθης αναγέννησης.
Ενταση- ποσοτικό χαρακτηριστικό της ακτινοβολίας ακτίνων Χ, το οποίο εκφράζεται με τον αριθμό των ακτίνων που εκπέμπει ο σωλήνας ανά μονάδα χρόνου. Η ένταση των ακτίνων Χ μετριέται σε milliamps. Συγκρίνοντάς το με την ένταση του ορατού φωτός από έναν συμβατικό λαμπτήρα πυρακτώσεως, μπορούμε να σχεδιάσουμε μια αναλογία: για παράδειγμα, ένας λαμπτήρας 20 watt θα λάμπει με μια ένταση ή ισχύ και ένας λαμπτήρας 200 watt θα λάμπει με μια άλλη, ενώ η η ποιότητα του ίδιου του φωτός (το φάσμα του) είναι η ίδια. Η ένταση της ακτινοβολίας ακτίνων Χ είναι, στην πραγματικότητα, η ποσότητα της. Κάθε ηλεκτρόνιο δημιουργεί ένα ή περισσότερα κβάντα ακτινοβολίας στην άνοδο, επομένως, ο αριθμός των ακτίνων Χ κατά την έκθεση του αντικειμένου ρυθμίζεται αλλάζοντας τον αριθμό των ηλεκτρονίων που τείνουν προς την άνοδο και τον αριθμό των αλληλεπιδράσεων των ηλεκτρονίων με τα άτομα του στόχου βολφραμίου , που μπορεί να γίνει με δύο τρόπους:
1. Με την αλλαγή του βαθμού πυράκτωσης της σπειροειδούς καθόδου χρησιμοποιώντας έναν μετασχηματιστή βήματος προς τα κάτω (ο αριθμός των ηλεκτρονίων που δημιουργούνται κατά την εκπομπή θα εξαρτηθεί από το πόσο ζεστή είναι η σπείρα βολφραμίου και ο αριθμός των κβαντών ακτινοβολίας θα εξαρτηθεί από τον αριθμό των ηλεκτρονίων) ;
2. Αλλάζοντας την τιμή της υψηλής τάσης που παρέχεται από τον μετασχηματιστή ανόδου στους πόλους του σωλήνα - την κάθοδο και την άνοδο (όσο υψηλότερη είναι η τάση που εφαρμόζεται στους πόλους του σωλήνα, τόσο περισσότερη κινητική ενέργεια λαμβάνουν τα ηλεκτρόνια , τα οποία, λόγω της ενέργειάς τους, μπορούν να αλληλεπιδράσουν με πολλά άτομα της ουσίας της ανόδου με τη σειρά τους - βλ. ρύζι. 5; ηλεκτρόνια με χαμηλή ενέργεια θα μπορούν να εισέλθουν σε μικρότερο αριθμό αλληλεπιδράσεων).
Η ένταση των ακτίνων Χ (ρεύμα ανόδου) πολλαπλασιαζόμενη με την έκθεση (χρόνος σωλήνα) αντιστοιχεί στην έκθεση στις ακτίνες Χ, η οποία μετράται σε mAs (χιλιοστά αμπέρ ανά δευτερόλεπτο). Η έκθεση είναι μια παράμετρος που, όπως και η ένταση, χαρακτηρίζει την ποσότητα των ακτίνων που εκπέμπονται από ένα σωλήνα ακτίνων Χ. Η μόνη διαφορά είναι ότι η έκθεση λαμβάνει επίσης υπόψη τον χρόνο λειτουργίας του σωλήνα (για παράδειγμα, εάν ο σωλήνας λειτουργεί για 0,01 sec, τότε ο αριθμός των ακτίνων θα είναι μία και εάν 0,02 sec, τότε ο αριθμός των ακτίνων θα είναι διαφορετικά - δύο φορές περισσότερο). Η έκθεση στην ακτινοβολία ορίζεται από τον ακτινολόγο στον πίνακα ελέγχου του ακτινογραφικού μηχανήματος, ανάλογα με τον τύπο της εξέτασης, το μέγεθος του υπό μελέτη αντικειμένου και τη διαγνωστική εργασία.
Ακαμψία- ποιοτικό χαρακτηριστικό της ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Μετράται από την υψηλή τάση στο σωλήνα - σε κιλοβολτ. Προσδιορίζει τη διεισδυτική ισχύ των ακτίνων Χ. Ρυθμίζεται από την υψηλή τάση που παρέχεται στο σωλήνα ακτίνων Χ από έναν μετασχηματιστή ανόδου. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού που δημιουργείται στα ηλεκτρόδια του σωλήνα, τόσο μεγαλύτερη δύναμη απωθούν τα ηλεκτρόνια από την κάθοδο και ορμούν προς την άνοδο και τόσο ισχυρότερη είναι η σύγκρουσή τους με την άνοδο. Όσο ισχυρότερη είναι η σύγκρουσή τους, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος της προκύπτουσας ακτινοβολίας ακτίνων Χ και τόσο μεγαλύτερη είναι η διεισδυτική ισχύς αυτού του κύματος (ή η σκληρότητα της ακτινοβολίας, η οποία, όπως και η ένταση, ρυθμίζεται στον πίνακα ελέγχου από την παράμετρο τάσης στο ο σωλήνας - kilovoltage).
Ρύζι. 7 - Εξάρτηση του μήκους κύματος από την ενέργεια του κύματος:
λ - μήκος κύματος;
Ε - ενέργεια κυμάτων
· Όσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων, τόσο ισχυρότερη είναι η επίδρασή τους στην άνοδο και τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος της προκύπτουσας ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ με μεγάλο μήκος κύματος και χαμηλή διεισδυτική ισχύ ονομάζεται "μαλακή", με μικρό μήκος κύματος και υψηλή διεισδυτική ισχύ - "σκληρή".
Ρύζι. 8 - Ο λόγος της τάσης στο σωλήνα ακτίνων Χ και το μήκος κύματος της προκύπτουσας ακτινοβολίας ακτίνων Χ:
· Όσο υψηλότερη είναι η τάση που εφαρμόζεται στους πόλους του σωλήνα, τόσο ισχυρότερη εμφανίζεται η διαφορά δυναμικού σε αυτούς, επομένως, η κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων θα είναι μεγαλύτερη. Η τάση στον σωλήνα καθορίζει την ταχύτητα των ηλεκτρονίων και τη δύναμη της σύγκρουσής τους με το υλικό της ανόδου, επομένως, η τάση καθορίζει το μήκος κύματος της προκύπτουσας ακτινοβολίας ακτίνων Χ.
