تاثیر تابش اشعه ایکس بر انسان. برهمکنش اشعه ایکس با قدرت اشعه ایکس ماده

تابش اشعه ایکس به امواج الکترومغناطیسی با طول تقریبی 80 تا 10 تا 5 نانومتر اطلاق می شود. تابش پرتو ایکس با طولانی ترین موج با تابش فرابنفش موج کوتاه و تابش اشعه ایکس موج کوتاه با تابش گام بلند همپوشانی دارد. بر اساس روش تحریک، تابش اشعه ایکس به bremsstrahlung و مشخصه تقسیم می شود.

31.1. دستگاه تیوب اشعه ایکس. اشعه ایکس Bremsstrahlung

رایج ترین منبع تابش اشعه ایکس یک لوله اشعه ایکس است که یک دستگاه خلاء دو الکترودی است (شکل 31.1). کاتد گرم شده 1 الکترون ساطع می کند 4. آند 2 که اغلب آنتی کاتد نامیده می شود، دارای یک سطح شیبدار است تا تابش اشعه ایکس حاصل را هدایت کند. 3 در یک زاویه نسبت به محور لوله. آند از یک ماده بسیار رسانای گرما ساخته شده است تا گرمای حاصل از برخورد الکترون را حذف کند. سطح آند از مواد نسوز ساخته شده است که عدد اتمی زیادی در جدول تناوبی دارند، به عنوان مثال، تنگستن. در برخی موارد، آند به طور ویژه با آب یا روغن خنک می شود.

برای لوله های تشخیصی، دقت منبع اشعه ایکس مهم است که می توان با تمرکز الکترون ها در یک مکان از آنتی کاتد به آن دست یافت. بنابراین، به طور سازنده لازم است دو وظیفه متضاد در نظر گرفته شود: از یک طرف، الکترون ها باید در یک محل آند بیفتند، از طرف دیگر، برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، توزیع الکترون ها در مناطق مختلف مطلوب است. آند یک راه حل فنی جالب یک لوله اشعه ایکس با یک آند چرخان است (شکل 31.2).

در نتیجه ترمز یک الکترون (یا ذره باردار دیگر) توسط میدان الکترواستاتیک هسته اتمی و الکترون های اتمی ماده، یک آنتی کاتد ایجاد می شود. تابش اشعه ایکس Bremsstrahlung.

مکانیسم آن را می توان به صورت زیر توضیح داد. با بار الکتریکی متحرک یک میدان مغناطیسی مرتبط است که القای آن به سرعت الکترون بستگی دارد. هنگام ترمزگیری، میدان مغناطیسی کاهش می یابد

القایی و مطابق با نظریه ماکسول، یک موج الکترومغناطیسی ظاهر می شود.

هنگامی که الکترون ها کند می شوند، تنها بخشی از انرژی برای ایجاد یک فوتون اشعه ایکس استفاده می شود، بخشی دیگر صرف گرم کردن آند می شود. از آنجایی که رابطه بین این بخش‌ها تصادفی است، وقتی تعداد زیادی الکترون کاهش می‌یابد، یک طیف پیوسته از تابش اشعه ایکس تشکیل می‌شود. در این راستا به bremsstrahlung تابش پیوسته نیز گفته می شود. در شکل شکل 31.3 وابستگی شار پرتو ایکس به طول موج λ (طیف) را در ولتاژهای مختلف در لوله اشعه ایکس نشان می دهد: U 1< U 2 < U 3 .

در هر یک از طیف ها، کوتاه ترین طول موج bremsstrahlung است λ ηίη زمانی اتفاق می افتد که انرژی به دست آمده توسط یک الکترون در یک میدان شتاب دهنده به طور کامل به انرژی فوتون تبدیل شود:

توجه داشته باشید که بر اساس (31.2)، یکی از دقیق ترین روش ها برای تعیین تجربی ثابت پلانک توسعه یافته است.

اشعه ایکس موج کوتاه عموماً نفوذپذیرتر از اشعه ایکس با موج بلند است و به نام سخت است،و موج بلند - نرم

با افزایش ولتاژ در لوله اشعه ایکس، ترکیب طیفی تابش تغییر می کند، همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود. 31.3 و فرمول (31.3)، و افزایش سفتی.

اگر دمای رشته کاتد را افزایش دهید، انتشار الکترون و جریان در لوله افزایش می یابد. این باعث افزایش تعداد فوتون های اشعه ایکس می شود که در هر ثانیه ساطع می شوند. ترکیب طیفی آن تغییر نخواهد کرد. در شکل شکل 31.4 طیف bremsstrahlung اشعه ایکس را در ولتاژ یکسان، اما در جریان های گرمایش کاتد متفاوت نشان می دهد: / n1< / н2 .

شار اشعه ایکس با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

جایی که Uو من -ولتاژ و جریان در لوله اشعه ایکس؛ ز- شماره سریال اتم ماده آند؛ ک- ضریب تناسب طیف به دست آمده از آنتی کاتدهای مختلف به طور همزمان Uو I H در شکل نشان داده شده است. 31.5.

31.2. تابش اشعه ایکس مشخصه. طیف اشعه ایکس اتمی

با افزایش ولتاژ بر روی لوله اشعه ایکس، می توان در پس زمینه یک طیف پیوسته ظاهر یک طیف خطی را مشاهده کرد که مربوط به

تابش اشعه ایکس مشخصه(شکل 31.6). این به دلیل این واقعیت است که الکترون‌های شتاب‌دار به عمق اتم نفوذ می‌کنند و الکترون‌ها را از لایه‌های داخلی خارج می‌کنند. الکترون‌ها از سطوح بالا به مکان‌های آزاد حرکت می‌کنند (شکل 31.7)، در نتیجه فوتون‌های تابش مشخصه ساطع می‌شوند. همانطور که از شکل مشخص است، تشعشعات پرتو ایکس از سری تشکیل شده است ک، ل، مو غیره که نام آن برای تعیین لایه های الکترونیکی استفاده می شود. از آنجایی که انتشار سری K مکان هایی را در لایه های بالاتر آزاد می کند، خطوط سری های دیگر نیز به طور همزمان منتشر می شوند.

برخلاف طیف های نوری، طیف های پرتو ایکس مشخصه اتم های مختلف از یک نوع هستند. در شکل شکل 31.8 طیف عناصر مختلف را نشان می دهد. یکنواختی این طیف‌ها به این دلیل است که لایه‌های داخلی اتم‌های مختلف یکسان هستند و فقط از نظر انرژی با هم تفاوت دارند، زیرا با افزایش تعداد اتمی عنصر، نیروی حاصل از هسته افزایش می‌یابد. این شرایط منجر به این واقعیت می شود که با افزایش بار هسته ای، طیف مشخصه به سمت فرکانس های بالاتر تغییر می کند. این الگو از شکل قابل مشاهده است. 31.8 و معروف است قانون موزلی:

جایی که v-فرکانس خط طیفی; ز-عدد اتمی عنصر ساطع کننده؛ آو که در- دائمی

تفاوت دیگری بین طیف نوری و اشعه ایکس وجود دارد.

طیف مشخصه اشعه ایکس یک اتم به ترکیب شیمیایی که این اتم در آن قرار دارد بستگی ندارد. به عنوان مثال، طیف پرتو ایکس اتم اکسیژن برای O، O 2 و H 2 O یکسان است، در حالی که طیف نوری این ترکیبات به طور قابل توجهی متفاوت است. این ویژگی طیف اشعه ایکس اتم به عنوان مبنایی برای این نام عمل کرد مشخصه.

تابش مشخصه همیشه زمانی رخ می دهد که فضای آزاد در لایه های داخلی اتم وجود داشته باشد، صرف نظر از دلیلی که باعث آن شده است. به عنوان مثال، تشعشع مشخصه با یکی از انواع واپاشی رادیواکتیو همراه است (نگاه کنید به 32.1)، که شامل گرفتن الکترون از لایه داخلی توسط هسته است.

31.3. برهمکنش تابش اشعه ایکس با ماده

ثبت و استفاده از تابش اشعه ایکس، و همچنین تاثیر آن بر اشیاء بیولوژیکی، توسط فرآیندهای اولیه برهمکنش فوتون پرتو ایکس با الکترون های اتم ها و مولکول های ماده تعیین می شود.

بسته به نسبت انرژی hvفوتون و انرژی یونیزاسیون 1 A و سه فرآیند اصلی انجام می شود.

پراکندگی منسجم (کلاسیک).

پراکندگی پرتوهای ایکس با موج بلند اساساً بدون تغییر طول موج رخ می دهد و نامیده می شود منسجماگر انرژی فوتون کمتر از انرژی یونیزاسیون باشد اتفاق می افتد: hv< A و.

از آنجایی که در این حالت انرژی فوتون پرتو ایکس و اتم تغییر نمی کند، پراکندگی منسجم به خودی خود اثر بیولوژیکی ایجاد نمی کند. اما هنگام ایجاد حفاظت در برابر تابش اشعه ایکس، امکان تغییر جهت پرتو اولیه باید در نظر گرفته شود. این نوع برهمکنش برای تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس مهم است (به 24.7 مراجعه کنید).

پراکندگی نامنسجم (اثر کامپتون)

در سال 1922 ق.خ. کامپتون با مشاهده پراکندگی پرتوهای ایکس سخت، کاهش قدرت نفوذ پرتو پراکنده را در مقایسه با پرتو فرودی کشف کرد. این بدان معناست که طول موج پرتوهای ایکس پراکنده بیشتر از پرتوهای ایکس فرودی است. پراکندگی پرتوهای ایکس با تغییر طول موج نامیده می شود نامنسجم nom، و خود پدیده - اثر کامپتوناگر انرژی فوتون پرتو ایکس از انرژی یونیزاسیون بیشتر باشد، اتفاق می افتد: hv > A و.

این پدیده به این دلیل است که هنگام تعامل با یک اتم، انرژی hvفوتون صرف تشکیل یک فوتون پراکنده جدید پرتو ایکس با انرژی می شود hv",برای حذف یک الکترون از اتم (انرژی یونیزاسیون A و) و دادن انرژی جنبشی به الکترون E به:

hv= hv" + A و + E k.(31.6)

1 در اینجا، انرژی یونیزاسیون به انرژی مورد نیاز برای حذف الکترون های داخلی از یک اتم یا مولکول اشاره دارد.

از آنجایی که در بسیاری از موارد hv>> و اثر کامپتون روی الکترون‌های آزاد رخ می‌دهد، پس می‌توانیم تقریباً بنویسیم:

hv = hv"+ E K.(31.7)

قابل توجه است که در این پدیده (شکل 31.9)، همراه با تابش اشعه ایکس ثانویه (انرژی) hv" فوتون) الکترون های پس زدن ظاهر می شوند (انرژی جنبشی E kالکترون). سپس اتم ها یا مولکول ها به یون تبدیل می شوند.

افکت عکس

در اثر فوتوالکتریک، اشعه ایکس توسط یک اتم جذب می شود و باعث می شود که یک الکترون به بیرون پرتاب شود و اتم یونیزه شود (فتویونیزاسیون).

سه فرآیند تعامل اصلی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، اولیه هستند، آنها به ثانویه، ثالث و غیره بعدی منجر می شوند. پدیده ها. به عنوان مثال، اتم های یونیزه شده می توانند یک طیف مشخصه ساطع کنند، اتم های برانگیخته می توانند به منابع نور مرئی تبدیل شوند (لومینسانس اشعه ایکس) و غیره.

در شکل 31.10 نموداری از فرآیندهای احتمالی را نشان می دهد که هنگام ورود تابش اشعه ایکس به یک ماده رخ می دهد. چندین دوجین فرآیند مشابه آنچه به تصویر کشیده شده می تواند قبل از تبدیل انرژی فوتون پرتو ایکس به انرژی حرکت حرارتی مولکولی رخ دهد. در نتیجه تغییراتی در ترکیب مولکولی ماده رخ خواهد داد.

فرآیندهای نشان داده شده توسط نمودار در شکل. 31.10، اساس پدیده‌هایی را تشکیل می‌دهند که هنگام اثر اشعه ایکس روی ماده مشاهده می‌شوند. بیایید برخی از آنها را فهرست کنیم.

لومینسانس اشعه ایکس- درخشش تعدادی از مواد تحت تابش اشعه ایکس. این درخشش باریم سینوکسید پلاتین به رونتگن اجازه داد تا پرتوها را کشف کند. این پدیده برای ایجاد صفحه های نورانی ویژه به منظور مشاهده بصری تابش اشعه ایکس، گاهی اوقات برای افزایش اثر اشعه ایکس بر روی صفحه عکاسی استفاده می شود.

اثرات شیمیایی تابش اشعه ایکس شناخته شده است، به عنوان مثال تشکیل پراکسید هیدروژن در آب. یک مثال عملی مهم، اثر روی صفحه عکاسی است که امکان ثبت چنین پرتوهایی را فراهم می کند.

اثر یونیزه در افزایش هدایت الکتریکی تحت تأثیر اشعه ایکس آشکار می شود. از این خاصیت استفاده می شود

در دزیمتری برای تعیین کمیت اثرات این نوع تابش.

در نتیجه بسیاری از فرآیندها، پرتو اولیه تابش اشعه ایکس مطابق با قانون تضعیف می شود (29.3). بیایید آن را به شکل زیر بنویسیم:

من = من 0 e-/" (31.8)

جایی که μ - ضریب تضعیف خطی. می توان آن را به صورت متشکل از سه عبارت مربوط به پراکندگی منسجم μ κ، μ ΗK ناهمدوس و اثر فوتوالکتریک μ نشان داد. f:

μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)

شدت تابش اشعه ایکس به نسبت تعداد اتم های ماده ای که این شار از آن عبور می کند، کاهش می یابد. اگر ماده ای را در امتداد محور فشرده کنید ایکس،به عنوان مثال، در ببار، افزایش می یابد بپس از چگالی آن

31.4. مبانی فیزیکی کاربرد پرتوهای اشعه ایکس در پزشکی

یکی از مهم ترین کاربردهای پزشکی اشعه ایکس، روشن کردن اندام های داخلی برای اهداف تشخیصی است. (تشخیص اشعه ایکس).

برای تشخیص، از فوتون هایی با انرژی حدود 60-120 کو استفاده می شود. در این انرژی، ضریب تضعیف جرم عمدتاً توسط اثر فوتوالکتریک تعیین می شود. مقدار آن نسبت معکوس با توان سوم انرژی فوتون (متناسب با λ 3) است که قدرت نفوذ بیشتر تابش سخت را نشان می دهد و متناسب با توان سوم عدد اتمی ماده جاذب است:

تفاوت قابل توجه در جذب تابش اشعه ایکس توسط بافت های مختلف به فرد اجازه می دهد تا تصاویری از اندام های داخلی بدن انسان را در طرح ریزی سایه ببیند.

تشخیص اشعه ایکس در دو نسخه استفاده می شود: فلوروسکوپی - تصویر بر روی صفحه نمایش نورانی اشعه ایکس مشاهده می شود، رادیوگرافی - تصویر بر روی فیلم عکاسی ثبت شده است.

اگر اندام مورد بررسی و بافت های اطراف اشعه ایکس را تقریباً به طور مساوی کاهش دهند، از مواد کنتراست ویژه استفاده می شود. به عنوان مثال، با پر کردن معده و روده ها با توده فرنی مانند سولفات باریم، می توانید تصویر سایه آنها را ببینید.

روشنایی تصویر روی صفحه و زمان نوردهی روی فیلم به شدت تابش اشعه ایکس بستگی دارد. اگر برای تشخیص استفاده شود، پس شدت آن نمی تواند زیاد باشد تا عواقب بیولوژیکی نامطلوب ایجاد نکند. بنابراین، تعدادی دستگاه فنی وجود دارد که تصاویر را در شدت کم اشعه ایکس بهبود می بخشد. نمونه ای از چنین دستگاهی مبدل های الکترواپتیکی هستند (به 27.8 مراجعه کنید). در طول معاینه انبوه جمعیت، یک نوع رادیوگرافی به طور گسترده استفاده می شود - فلوروگرافی، که در آن تصویری از یک صفحه بزرگ درخشان اشعه ایکس بر روی یک فیلم حساس با فرمت کوچک ثبت می شود. هنگام عکاسی، از یک لنز با دیافراگم بالا استفاده می شود و تصاویر تمام شده با استفاده از ذره بین مخصوص بررسی می شوند.

یک گزینه جالب و امیدوارکننده برای رادیوگرافی روشی است به نام توموگرافی اشعه ایکس، و "نسخه ماشینی" آن - سی تی اسکن.

بیایید این سوال را در نظر بگیریم.

یک اشعه ایکس معمولی ناحیه وسیعی از بدن را می‌پوشاند و اندام‌ها و بافت‌های مختلف یکدیگر را پنهان می‌کنند. اگر به طور دوره ای لوله اشعه ایکس را با هم حرکت دهید (شکل 31.11) در پادفاز می توان از این امر جلوگیری کرد. RTو فیلم عکاسی FPنسبت به شی در بارهپژوهش. بدن شامل تعدادی آخال است که در برابر اشعه ایکس مات هستند؛ آنها به صورت دایره ای در شکل نشان داده شده اند. همانطور که مشاهده می شود، اشعه ایکس در هر موقعیتی از لوله اشعه ایکس (1، 2 و غیره) عبور کنید

بریدن همان نقطه جسم، که مرکزی نسبت به آن حرکت دوره ای رخ می دهد RTو Fpاین نقطه، یا بهتر است بگوییم یک گنجایش مات کوچک، با یک دایره تاریک نشان داده شده است. تصویر سایه او با FP،اشغال موقعیت های متوالی 1، 2 و غیره. اجزای باقیمانده در بدن (استخوان ها، تراکم ها و غیره) بر روی ایجاد می شوند FPبرخی از زمینه های کلی، زیرا اشعه ایکس به طور مداوم توسط آنها پنهان نمی شود. با تغییر موقعیت مرکز چرخش، می توانید تصویر لایه به لایه اشعه ایکس از بدن به دست آورید. از این رو نام - توموگرافی(ضبط لایه ای).

این امکان وجود دارد که با استفاده از یک پرتو نازک از تابش اشعه ایکس، یک صفحه نمایش (به جای Fp)،متشکل از آشکارسازهای نیمه هادی تشعشعات یونیزان (نگاه کنید به 32.5)، و یک کامپیوتر، تصویر سایه ایکس اشعه ایکس را در طول توموگرافی پردازش می کند. این نسخه مدرن توموگرافی (توموگرافی کامپیوتری یا کامپیوتری اشعه ایکس) به شما امکان می دهد تصاویر لایه به لایه بدن را بر روی صفحه نمایش لوله اشعه کاتدی یا روی کاغذ با جزئیات کمتر از 2 میلی متر با تفاوت در جذب اشعه ایکس به دست آورید. تا 0.1٪. به عنوان مثال، این اجازه می دهد تا بین ماده خاکستری و سفید مغز تمایز قائل شویم و تومورهای بسیار کوچک را ببینیم.

1. منابع تابش اشعه ایکس.

2. تابش اشعه ایکس Bremsstrahlung.

3. تابش اشعه ایکس مشخصه. قانون موزلی

4. برهمکنش تابش اشعه ایکس با ماده. قانون تضعیف

5. مبنای فیزیکی استفاده از اشعه ایکس در پزشکی.

6. مفاهیم و فرمول های اساسی.

7. وظایف.

تابش اشعه ایکس -امواج الکترومغناطیسی با طول موج 100 تا 10 -3 نانومتر. در مقیاس امواج الکترومغناطیسی، تابش اشعه ایکس منطقه بین تابش UV و γ - تابش - تشعشع. اشعه ایکس (اشعه ایکس) در سال 1895 توسط K. Roentgen کشف شد که در سال 1901 اولین برنده جایزه نوبل در فیزیک شد.

32.1. منابع اشعه ایکس

منابع طبیعی تابش اشعه ایکس برخی از ایزوتوپ های رادیواکتیو (مثلاً 55 Fe) هستند. منابع مصنوعی پرتو ایکس قدرتمند هستند لوله های اشعه ایکس(شکل 32.1).

برنج. 32.1.دستگاه تیوب اشعه ایکس

لوله اشعه ایکس یک فلاسک شیشه ای تخلیه شده با دو الکترود است: آند A و کاتد K که بین آنها یک ولتاژ بالا U (1-500 کیلو ولت) ایجاد می شود. کاتد یک مارپیچ است که توسط جریان الکتریکی گرم می شود. الکترون های گسیل شده توسط کاتد گرم شده (گسیل ترمیونی) توسط یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند تا بزرگسرعت می گیرد (به همین دلیل به ولتاژ بالا نیاز است) و روی آند لوله می افتد. هنگامی که این الکترون ها با ماده آند برهمکنش می کنند، دو نوع تابش اشعه ایکس ایجاد می شود: ترمز کردنو مشخصه.

سطح کار آند در زاویه مشخصی نسبت به جهت پرتو الکترونی قرار دارد تا جهت مورد نیاز اشعه ایکس ایجاد شود.

حدود 1% از انرژی جنبشی الکترون ها به اشعه ایکس تبدیل می شود. بقیه انرژی به صورت گرما آزاد می شود. بنابراین، سطح کار آند از مواد نسوز ساخته شده است.

32.2. اشعه ایکس Bremsstrahlung

الکترونی که در یک محیط خاص حرکت می کند سرعت خود را از دست می دهد. در این حالت شتاب منفی رخ می دهد. طبق نظریه ماکسول، هر شتاب گرفتحرکت یک ذره باردار با تابش الکترومغناطیسی همراه است. تابش تولید شده هنگام کاهش سرعت الکترون در ماده آند نامیده می شود تابش اشعه ایکس Bremsstrahlung.

خواص bremsstrahlung توسط عوامل زیر تعیین می شود.

1. تشعشع توسط کوانتوم های منفرد ساطع می شود که انرژی های آنها با فرمول به فرکانس مربوط می شود (26.10)

جایی که ν فرکانس است، λ طول موج است.

2. تمام الکترون های رسیدن به آند دارند همانانرژی جنبشی برابر با کار میدان الکتریکی بین آند و کاتد:

جایی که e بار الکترون است، U ولتاژ شتاب دهنده است.

3. انرژی جنبشی الکترون تا حدی به ماده منتقل می شود و آن را گرم می کند (Q) و تا حدی صرف ایجاد یک کوانتوم پرتو ایکس می شود:

4. رابطه بین Q و hv به طور تصادفی.

با توجه به آخرین ویژگی (4)، کوانتوم تولید شده است مختلفالکترون ها، دارند مختلففرکانس ها و طول موج ها بنابراین طیف bremsstrahlung اشعه ایکس است مداوم.نمای معمولی چگالی طیفیشار اشعه ایکس (Φ λ = άΦ/άλ) در شکل نشان داده شده است. 32.2.

برنج. 32.2.طیف اشعه ایکس Bremsstrahlung

در سمت موج بلند، طیف به طول موج 100 نانومتر محدود می شود که مرز تابش اشعه ایکس است. در سمت موج کوتاه، طیف با طول موج λ min محدود می شود. طبق فرمول (32.2) حداقل طول موجمربوط به حالت Q = 0 است (انرژی جنبشی الکترون کاملاً به انرژی کوانتومی تبدیل می شود):

محاسبات نشان می دهد که شار (Φ) پرتوهای ایکس برمسترالانگ با مجذور ولتاژ U بین مستقیماً متناسب است.

آند و کاتد، قدرت جریان I در لوله و عدد اتمی Z ماده آند:

طیف پرتو ایکس Bremsstrahlung در ولتاژهای مختلف، دماهای مختلف کاتد و مواد آند مختلف در شکل نشان داده شده است. 32.3.

برنج. 32.3.طیف اشعه ایکس Bremsstrahlung (Φ λ):

الف - در ولتاژهای مختلف U در لوله؛ ب - در دماهای مختلف T

کاتد؛ ج - برای مواد آند مختلف با پارامتر Z متفاوت است

با افزایش ولتاژ آند، مقدار λ دقیقهبه سمت طول موج های کوتاه تر تغییر می کند. در همان زمان، ارتفاع منحنی طیفی افزایش می یابد (شکل 32.3، آ).

با افزایش دمای کاتد، انتشار الکترون افزایش می یابد. بر این اساس، جریان I در لوله افزایش می یابد. ارتفاع منحنی طیفی افزایش می یابد، اما ترکیب طیفی تابش تغییر نمی کند (شکل 32.3، ب).

هنگامی که ماده آند تغییر می کند، ارتفاع منحنی طیفی متناسب با عدد اتمی Z تغییر می کند (شکل 32.3، ج).

32.3. تابش اشعه ایکس مشخصه. قانون موزلی

هنگامی که الکترون های کاتدی با اتم های آند برهم کنش می کنند، همراه با پرتوهای ایکس برمسترالانگ، پرتوهای ایکس تولید می شوند که طیف آن شامل خطوط جداگانهاین اشعه است

منشأ زیر را دارد. برخی از الکترون های کاتدی به اعماق اتم نفوذ می کنند و الکترون ها را از آن خارج می کنند. پوسته های داخلیجاهای خالی ایجاد شده در این مورد با الکترون های از پر می شود بالاپوسته هایی که در نتیجه کوانتوم های تابشی ساطع می شوند. این تابش شامل مجموعه ای مجزا از فرکانس های تعیین شده توسط ماده آند است و نامیده می شود تشعشع مشخصهطیف کامل لوله اشعه ایکس برهم نهی طیف مشخصه بر روی طیف bremsstrahlung است (شکل 32.4).

برنج. 32.4.طیف تابش لوله اشعه ایکس

وجود طیف مشخصه اشعه ایکس با استفاده از لوله های اشعه ایکس کشف شد. بعدها مشخص شد که چنین طیف هایی از یونیزاسیون مدارهای داخلی عناصر شیمیایی ناشی می شوند. G. Moseley (1913) پس از مطالعه طیف های مشخصه عناصر شیمیایی مختلف، قانون زیر را ایجاد کرد که نام او را دارد.

جذر فرکانس تابش مشخصه تابعی خطی از شماره سریال عنصر است:

جایی که ν بسامد خط طیفی است، Z عدد اتمی عنصر گسیلنده است، A، B ثابت هستند.

قانون موزلی به شما اجازه می دهد تا عدد اتمی یک عنصر شیمیایی را از طیف مشاهده شده تابش مشخصه تعیین کنید. این امر نقش زیادی در قرارگیری عناصر در جدول تناوبی داشت.

32.4. برهمکنش تابش اشعه ایکس با ماده. قانون میرایی

دو نوع اصلی برهمکنش پرتو ایکس با ماده وجود دارد: پراکندگی و اثر فوتوالکتریک. در حین پراکندگی، جهت حرکت فوتون تغییر می کند. در اثر فوتوالکتریک، یک فوتون جذب شده است.

1. پراکندگی منسجم (الاستیک).زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی فوتون پرتو ایکس برای یونیزاسیون داخلی اتم کافی نباشد (یک الکترون را از یکی از پوسته‌های داخلی خارج کند). در این حالت جهت حرکت فوتون تغییر می کند، اما انرژی و طول موج آن تغییر نمی کند (به همین دلیل به این پراکندگی می گویند. کشسان).

2. پراکندگی نامنسجم (Compton).زمانی اتفاق می افتد که انرژی فوتون بسیار بیشتر از انرژی یونیزاسیون داخلی A باشد و: hv >> A و.

در این حالت، الکترون از اتم جدا می شود و انرژی جنبشی مشخصی به دست می آورد E k. جهت حرکت فوتون در حین پراکندگی کامپتون تغییر می کند و انرژی آن کاهش می یابد:

پراکندگی کامپتون با یونیزاسیون اتم های یک ماده همراه است.

3. افکت عکسزمانی اتفاق می افتد که انرژی فوتون hv برای یونیزه کردن اتم کافی باشد: hv > A u. در همان زمان، کوانتوم اشعه ایکس جذب شده استو انرژی آن صرف یونیزه کردن اتم و انتقال انرژی جنبشی به الکترون پرتاب شده E k = hv - A I می شود.

پراکندگی کامپتون و اثر فوتوالکتریک با تشعشع پرتو ایکس مشخصه همراه است، زیرا پس از حذف الکترون‌های داخلی، مکان‌های خالی با الکترون‌های پوسته‌های بیرونی پر می‌شوند.

لومینسانس اشعه ایکس.در برخی از مواد، الکترون ها و کوانتوم های پراکندگی کامپتون و همچنین الکترون های اثر فوتوالکتریک باعث تحریک مولکول ها می شوند که با انتقال تابشی به حالت پایه همراه است. این درخششی به نام لومینسانس اشعه ایکس تولید می کند. لومینسانس اکسید باریم پلاتین به رونتگن اجازه داد تا اشعه ایکس را کشف کند.

قانون میرایی

پراکندگی پرتوهای ایکس و اثر فوتوالکتریک منجر به این واقعیت می شود که با نفوذ پرتو ایکس به عمق، پرتو اولیه تابش ضعیف می شود (شکل 32.5). تضعیف به صورت تصاعدی است:

مقدار μ به ماده جذب کننده و طیف انتشار بستگی دارد. برای محاسبات عملی، به عنوان یک مشخصه از تضعیف

برنج. 32.5.تضعیف شار اشعه ایکس در جهت پرتوهای فرود

جایی که λ - طول موج؛ Z عدد اتمی عنصر است. k مقداری ثابت است.

32.5. مبنای فیزیکی استفاده

تابش اشعه ایکس در پزشکی

در پزشکی از اشعه ایکس برای اهداف تشخیصی و درمانی استفاده می شود.

تشخیص اشعه ایکس- روش های به دست آوردن تصاویر از اندام های داخلی با استفاده از اشعه ایکس.

مبنای فیزیکی این روش ها قانون تضعیف تابش اشعه ایکس در ماده است (32.10). یکنواخت شار اشعه ایکس در سراسر مقطع پس از عبور بافت ناهمگنناهمگن خواهد شد. این ناهمگونی را می توان روی فیلم عکاسی، صفحه فلورسنت یا با استفاده از آشکارساز نوری ماتریسی ثبت کرد. به عنوان مثال، ضرایب تضعیف جرم بافت استخوان - Ca 3 (PO 4) 2 - و بافت های نرم - عمدتا H 2 O - 68 برابر (μm استخوان / μm آب = 68) متفاوت است. تراکم استخوان نیز بیشتر از تراکم بافت نرم است. بنابراین، اشعه ایکس تصویری روشن از استخوان در برابر پس زمینه تیره‌تر بافت نرم ایجاد می‌کند.

اگر اندام مورد مطالعه و بافت های اطراف آن دارای ضرایب تضعیف مشابهی باشند، پس خاص است عوامل کنتراستبه عنوان مثال، در طول فلوروسکوپی معده، آزمودنی یک توده فرنی مانند از سولفات باریم (BaSO 4) می گیرد که ضریب کاهش جرم آن 354 برابر بیشتر از بافت نرم است.

برای تشخیص، از تابش اشعه ایکس با انرژی فوتون 60-120 کو استفاده می شود. روش های تشخیصی اشعه ایکس زیر در عمل پزشکی استفاده می شود.

1. اشعه ایکس.تصویر بر روی یک صفحه فلورسنت تشکیل شده است. روشنایی تصویر کم است و فقط در یک اتاق تاریک قابل مشاهده است. پزشک باید از اشعه محافظت شود.

مزیت فلوروسکوپی این است که در زمان واقعی انجام می شود. عیب آن قرار گرفتن در معرض تابش زیاد بیمار و پزشک (در مقایسه با روش های دیگر) است.

نسخه مدرن فلوروسکوپی - تلویزیون اشعه ایکس - از تقویت کننده های تصویر اشعه ایکس استفاده می کند. تقویت کننده درخشش ضعیف صفحه اشعه ایکس را درک می کند، آن را تقویت می کند و به صفحه تلویزیون منتقل می کند. در نتیجه، قرار گرفتن در معرض تابش در معرض پزشک به شدت کاهش یافت، روشنایی تصویر افزایش یافت و امکان ضبط ویدئویی نتایج معاینه فراهم شد.

2. رادیوگرافی.تصویر روی یک فیلم خاص که به تابش اشعه ایکس حساس است تشکیل شده است. عکس ها در دو برجستگی عمود بر هم (جلو و کناری) گرفته شده اند. تصویر پس از پردازش عکس قابل مشاهده می شود. عکس خشک شده تمام شده در نور عبوری بررسی می شود.

در عین حال، جزئیات به طور رضایت بخشی قابل مشاهده است که تضادهای آنها 1-2٪ متفاوت است.

در برخی موارد، قبل از معاینه، به بیمار دستور ویژه داده می شود عامل کنتراستبه عنوان مثال، یک محلول حاوی ید (به صورت داخل وریدی) برای مطالعه کلیه ها و مجاری ادراری.

از مزایای رادیوگرافی وضوح بالا، زمان نوردهی کوتاه و ایمنی تقریباً کامل برای پزشک است. معایب آن عبارتند از ماهیت ایستا تصویر (شیء را نمی توان در دینامیک ردیابی کرد).

3. فلوروگرافی.در طی این بررسی، تصویر به دست آمده بر روی صفحه نمایش بر روی فیلم حساس با فرمت کوچک عکاسی می شود. فلوروگرافی به طور گسترده در غربالگری انبوه جمعیت استفاده می شود. اگر تغییرات پاتولوژیک در فلوروگرام یافت شود، بیمار معاینه دقیق تری تجویز می کند.

4. الکترورادیوگرافی.این نوع معاینه در نحوه ثبت تصویر با رادیوگرافی معمولی متفاوت است. به جای فیلم استفاده می کنند صفحه سلنیوم،که توسط اشعه ایکس برق می گیرد. نتیجه یک تصویر پنهان از بارهای الکتریکی است که قابل مشاهده و انتقال به کاغذ است.

5. آنژیوگرافی.از این روش برای بررسی رگ های خونی استفاده می شود. یک ماده حاجب از طریق یک کاتتر به داخل ورید تزریق می شود، پس از آن یک دستگاه اشعه ایکس قدرتمند مجموعه ای از تصاویر را در کسری از ثانیه به دنبال یکدیگر می گیرد. شکل 32.6 آنژیوگرافی شریان کاروتید را نشان می دهد.

6. توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس.این نوع معاینه اشعه ایکس به شما امکان می دهد تصویری از یک قسمت صاف از بدن به ضخامت چندین میلی متر به دست آورید. در این حالت، یک بخش معین به طور مکرر در زوایای مختلف اسکن می شود و هر تصویر جداگانه در حافظه کامپیوتر ثبت می شود. سپس

برنج. 32.6.آنژیوگرافی باریک شدن در شریان کاروتید را نشان می دهد

برنج. 32.7. طرح توموگرافی اسکن (الف)؛ توموگرام سر در برش در سطح چشم (ب).

بازسازی کامپیوتر انجام می شود که نتیجه آن تصویری از لایه اسکن شده است (شکل 32.7).

توموگرافی کامپیوتری به فرد اجازه می دهد تا عناصری را با اختلاف تراکم بین آنها تا 1٪ تشخیص دهد. رادیوگرافی معمولی به فرد امکان می دهد حداقل تفاوت تراکم بین مناطق مجاور 10-20٪ را تشخیص دهد.

اشعه ایکس درمانی - استفاده از اشعه ایکس برای از بین بردن تومورهای بدخیم.

اثر بیولوژیکی تشعشع، مختل کردن فعالیت حیاتی سلول‌هایی است که به‌ویژه در حال تکثیر سریع هستند. اشعه ایکس بسیار سخت (با انرژی فوتون تقریباً 10 مگا ولت) برای از بین بردن سلول های سرطانی در اعماق بدن استفاده می شود. برای کاهش آسیب به بافت سالم اطراف، پرتو در اطراف بیمار می چرخد ​​به طوری که فقط ناحیه آسیب دیده همیشه تحت تأثیر آن باقی می ماند.

32.6. مفاهیم و فرمول های اساسی

ادامه جدول

انتهای جدول

32.7. وظایف

1. چرا یک پرتو الکترون در لوله های پرتو ایکس پزشکی به یک نقطه از آنتی کاتد برخورد می کند و در یک پرتو گسترده روی آن نمی افتد؟

پاسخ:برای به دست آوردن یک منبع نقطه ای از اشعه ایکس، که خطوط واضحی از اشیاء نورانی روی صفحه نمایش می دهد.

2. حد bremsstrahlung اشعه ایکس (فرکانس و طول موج) را برای ولتاژهای U 1 = 2 kV و U 2 = 20 kV بیابید.

4. سپرهای سربی برای محافظت در برابر تابش اشعه ایکس استفاده می شود. ضریب جذب خطی تابش اشعه ایکس در سرب 52 سانتی متر -1 است. ضخامت لایه محافظ سرب چقدر باید باشد تا شدت اشعه ایکس 30 برابر کاهش یابد؟

5. شار تابش لوله اشعه ایکس را در U = 50 کیلو ولت، I = 1 میلی آمپر بیابید. آند از تنگستن ساخته شده است (Z = 74). کارایی لوله را پیدا کنید.

6. از مواد کنتراست برای تشخیص اشعه ایکس بافت نرم استفاده می شود. به عنوان مثال، معده و روده با توده ای از سولفات باریم (BaSO 4) پر شده است. ضرایب تضعیف جرم سولفات باریم و بافت نرم (آب) را مقایسه کنید.

7. چه چیزی سایه متراکم تری بر روی صفحه نصب اشعه ایکس ایجاد می کند: آلومینیوم (Z = 13، ρ = 2.7 g/cm3) یا همان لایه مس (Z = 29، ρ = 8.9 g/cm3)؟

8. ضخامت لایه آلومینیوم چند برابر بیشتر از ضخامت لایه مس است اگر لایه ها تابش اشعه ایکس را به طور مساوی کاهش دهند؟

در مطالعه و استفاده عملی از پدیده های اتمی، اشعه ایکس یکی از مهمترین نقش ها را ایفا می کند. به لطف تحقیقات آنها، اکتشافات زیادی انجام شد و روش هایی برای تجزیه و تحلیل مواد ایجاد شد که در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفت. در اینجا ما به یک نوع اشعه ایکس - پرتوهای X مشخصه نگاه خواهیم کرد.

ماهیت و خواص اشعه ایکس

تابش اشعه ایکس یک تغییر با فرکانس بالا در وضعیت میدان الکترومغناطیسی است که با سرعتی در حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه، یعنی امواج الکترومغناطیسی، در فضا منتشر می شود. در مقیاس دامنه تابش الکترومغناطیسی، پرتوهای ایکس در ناحیه طول موج تقریباً 8-10 تا 10-10-5 متر قرار دارند که چندین مرتبه قدر کوتاهتر از امواج نوری است. این مربوط به فرکانس های 3∙10 16 تا 6∙10 19 هرتز و انرژی ها از 10 eV تا 250 کو یا 1.6∙10 -18 تا 4∙10 -14 J. لازم به ذکر است که مرزهای محدوده فرکانس تابش الکترومغناطیسی به دلیل همپوشانی آنها کاملاً دلخواه است.

برهمکنش ذرات باردار شتابدار (الکترون های پر انرژی) با میدان های الکتریکی و مغناطیسی و با اتم های ماده است.

فوتون های پرتو ایکس با انرژی های بالا و قدرت نفوذ و یونیزاسیون بالا مشخص می شوند، به ویژه برای پرتوهای ایکس سخت با طول موج های کمتر از 1 نانومتر (9-10 متر).

پرتوهای ایکس در فرآیندهای اثر فوتوالکتریک (فوتو جذب) و پراکندگی نامنسجم (کامپتون) با ماده برهمکنش می‌کنند و اتم‌های آن را یونیزه می‌کنند. در جذب نوری، یک فوتون پرتو ایکس که توسط الکترون یک اتم جذب می شود، انرژی را به آن منتقل می کند. اگر مقدار آن از انرژی اتصال یک الکترون در اتم بیشتر شود، آن اتم را ترک می کند. پراکندگی کامپتون مشخصه فوتون های پرتو ایکس سخت (پر انرژی) است. بخشی از انرژی فوتون جذب شده صرف یونیزاسیون می شود. در این حالت، در یک زاویه خاص نسبت به جهت فوتون اولیه، یک فوتون ثانویه با فرکانس کمتر منتشر می شود.

انواع تابش اشعه ایکس. Bremsstrahlung

برای تولید تیرها از سیلندرهای خلاء شیشه ای با الکترودهای قرار گرفته در داخل استفاده می شود. اختلاف پتانسیل بین الکترودها باید بسیار زیاد باشد - تا صدها کیلو ولت. انتشار ترمیونی روی کاتد تنگستن رخ می دهد که توسط جریان گرم می شود، یعنی الکترون ها از آن ساطع می شوند که با شتاب گرفتن از اختلاف پتانسیل، آند را بمباران می کنند. در نتیجه برهمکنش آنها با اتم های آند (که گاهی آنتی کاتد نامیده می شود)، فوتون های اشعه ایکس متولد می شوند.

بسته به اینکه چه فرآیندی منجر به ایجاد یک فوتون می شود، انواع تابش اشعه ایکس متمایز می شود: bremsstrahlung و مشخصه.

الکترون‌ها می‌توانند هنگام برخورد با آند، کند شوند، یعنی انرژی را در میدان‌های الکتریکی اتم‌های آن از دست بدهند. این انرژی به صورت فوتون های اشعه ایکس ساطع می شود. به این نوع تابش bremsstrahlung می گویند.

واضح است که شرایط ترمز برای تک تک الکترون ها متفاوت خواهد بود. این بدان معناست که مقادیر مختلفی از انرژی جنبشی آنها به اشعه ایکس تبدیل می شود. در نتیجه، bremsstrahlung شامل فوتون هایی با فرکانس های مختلف و بر این اساس، طول موج های مختلف است. بنابراین طیف آن پیوسته (پیوسته) است. گاهی به همین دلیل به آن اشعه ایکس "سفید" نیز می گویند.

انرژی یک فوتون برمسترالونگ نمی تواند از انرژی جنبشی الکترون تولید کننده آن تجاوز کند، بنابراین حداکثر فرکانس (و کوتاه ترین طول موج) تابش برمسترالونگ با بالاترین مقدار انرژی جنبشی الکترون هایی که بر روی آند فرود می آیند مطابقت دارد. مورد دوم به اختلاف پتانسیل اعمال شده روی الکترودها بستگی دارد.

نوع دیگری از تابش اشعه ایکس وجود دارد که منبع آن فرآیند متفاوتی است. این تشعشع را تشعشع مشخصه می نامند و در ادامه بیشتر به آن خواهیم پرداخت.

تشعشعات پرتو ایکس مشخصه چگونه ایجاد می شود؟

پس از رسیدن به ضد کاتد، یک الکترون سریع می تواند به داخل اتم نفوذ کند و یک الکترون را از یکی از اوربیتال های پایینی بیرون بیاورد، یعنی انرژی کافی برای غلبه بر مانع پتانسیل را به آن منتقل کند. با این حال، اگر سطوح انرژی بالاتری در اتم اشغال شده توسط الکترون ها وجود داشته باشد، فضای خالی خالی نمی ماند.

باید به خاطر داشت که ساختار الکترونیکی اتم، مانند هر سیستم انرژی، تمایل به به حداقل رساندن انرژی دارد. جای خالی ایجاد شده در نتیجه ناک اوت با یک الکترون از یکی از سطوح بالاتر پر می شود. انرژی آن بالاتر است و با اشغال سطح پایین تر، مازاد آن را به شکل کوانتومی از تشعشعات پرتو ایکس مشخص می کند.

ساختار الکترونیکی یک اتم مجموعه ای مجزا از حالت های انرژی ممکن الکترون ها است. بنابراین، فوتون‌های اشعه ایکس که در طول جایگزینی جای خالی الکترون‌ها ساطع می‌شوند، فقط می‌توانند مقادیر انرژی کاملاً مشخصی داشته باشند که منعکس کننده تفاوت سطوح است. در نتیجه، تابش پرتو ایکس دارای طیفی است که پیوسته نیست، بلکه خطی شکل است. این طیف امکان مشخص کردن ماده آند را فراهم می کند - از این رو نام این پرتوها است. به لطف تفاوت های طیفی است که مشخص می شود منظور از تابش پرتو ایکس و پرتوهای پرتو ایکس چیست.

گاهی اوقات انرژی اضافی توسط اتم ساطع نمی شود، بلکه صرف حذف الکترون سوم می شود. این فرآیند - به اصطلاح اثر اوگر - زمانی رخ می دهد که انرژی اتصال الکترون از 1 کو تجاوز نکند. انرژی الکترون اوگر آزاد شده به ساختار سطوح انرژی اتم بستگی دارد، بنابراین طیف چنین الکترون هایی نیز در طبیعت گسسته هستند.

نمای کلی طیف مشخصه

خطوط مشخصه باریک در تصویر طیفی اشعه ایکس همراه با یک طیف برمسترالانگ پیوسته وجود دارد. اگر طیف را به صورت نموداری از شدت در مقابل طول موج (فرکانس) تصور کنیم، پیک های تیز را در محل خطوط خواهیم دید. موقعیت آنها به مواد آند بستگی دارد. این ماکزیمم ها در هر اختلاف پتانسیل وجود دارند - اگر اشعه ایکس وجود داشته باشد، همیشه اوج نیز وجود دارد. با افزایش ولتاژ روی الکترودهای لوله، شدت تابش پرتو ایکس پیوسته و مشخصه افزایش می‌یابد، اما محل پیک‌ها و نسبت شدت آنها تغییر نمی‌کند.

قله ها در طیف های پرتو ایکس بدون توجه به ماده آنتی کاتد تابیده شده توسط الکترون ها ظاهر یکسانی دارند، اما برای مواد مختلف در فرکانس های مختلف قرار دارند و بر اساس نزدیکی مقادیر فرکانس به صورت سری متحد می شوند. بین خود سری ها، تفاوت در فرکانس ها بسیار چشمگیرتر است. نوع ماکسیما به هیچ وجه به اینکه ماده آند یک عنصر شیمیایی خالص است یا یک ماده پیچیده بستگی ندارد. در مورد دوم، طیف مشخصه اشعه ایکس عناصر تشکیل دهنده آن به سادگی بر روی یکدیگر قرار می گیرند.

با افزایش عدد اتمی یک عنصر شیمیایی، تمام خطوط طیف اشعه ایکس آن به سمت فرکانس های بالاتر تغییر می کند. طیف ظاهر خود را حفظ می کند.

قانون موزلی

پدیده تغییر طیفی خطوط مشخصه توسط فیزیکدان انگلیسی هنری موزلی در سال 1913 کشف شد. این به او اجازه داد تا فرکانس های حداکثر طیف را با شماره سریال عناصر شیمیایی مرتبط کند. بنابراین، همانطور که مشخص شد، طول موج تابش پرتو ایکس مشخصه را می توان به وضوح با یک عنصر خاص مرتبط کرد. به طور کلی، قانون موزلی را می توان به صورت زیر نوشت: √f = (Z - S n)/n√R، که f فرکانس است، Z شماره سریال عنصر، S n ثابت غربالگری، n است عدد کوانتومی اصلی و R ثابت ریدبرگ است. این وابستگی خطی است و در نمودار موزلی مانند یک سری خطوط مستقیم برای هر مقدار n به نظر می رسد.

مقادیر n مربوط به یک سری از پیک های مشخصه انتشار اشعه ایکس است. قانون موزلی تعیین شماره سریال یک عنصر شیمیایی تابش شده توسط الکترون های سخت را بر اساس طول موج های اندازه گیری شده (که به طور منحصر به فرد با فرکانس ها مرتبط هستند) حداکثر طیف پرتو ایکس ممکن می سازد.

ساختار پوسته های الکترونیکی عناصر شیمیایی یکسان است. این با یکنواختی تغییر تغییر در طیف مشخصه تابش اشعه ایکس نشان داده می شود. تغییر فرکانس منعکس کننده تفاوت های ساختاری نیست، بلکه تفاوت های انرژی بین پوسته های الکترونی، منحصر به فرد برای هر عنصر است.

نقش قانون موزلی در فیزیک اتمی

انحرافات جزئی از رابطه خطی دقیق بیان شده توسط قانون موزلی وجود دارد. آنها اولاً با ویژگی های ترتیب پر شدن لایه های الکترونی برخی عناصر و ثانیاً با اثرات نسبیتی حرکت الکترون های اتم های سنگین مرتبط هستند. علاوه بر این، زمانی که تعداد نوترون ها در هسته تغییر می کند (به اصطلاح تغییر ایزوتوپی)، موقعیت خطوط ممکن است کمی تغییر کند. این اثر امکان مطالعه دقیق ساختار اتمی را فراهم کرد.

اهمیت قانون موزلی بسیار زیاد است. کاربرد مداوم آن در عناصر سیستم تناوبی مندلیف، الگویی از افزایش عدد ترتیبی مربوط به هر جابجایی کوچک در ماکزیمم مشخصه را ایجاد کرد. این به روشن شدن مسئله معنای فیزیکی تعداد ترتیبی عناصر کمک کرد. مقدار Z فقط یک عدد نیست، بلکه بار الکتریکی مثبت هسته است که مجموع بارهای مثبت واحد ذرات تشکیل دهنده آن است. قرار دادن صحیح عناصر در جدول و وجود موقعیت های خالی در آن (آنها هنوز وجود داشتند) تأیید قدرتمندی دریافت کرد. اعتبار قانون ادواری ثابت شد.

علاوه بر این، قانون موزلی مبنایی شد که بر اساس آن یک جهت کلی از تحقیقات تجربی بوجود آمد - طیف سنجی اشعه ایکس.

ساختار لایه های الکترونی یک اتم

اجازه دهید به طور خلاصه به یاد بیاوریم که ساختار الکترون چگونه است. این ساختار شامل پوسته هایی است که با حروف K، L، M، N، O، P، Q یا اعداد از 1 تا 7 مشخص شده اند. الکترون های درون پوسته با کوانتوم اصلی یکسان مشخص می شوند. عدد n که مقادیر انرژی ممکن را تعیین می کند. در پوسته های بیرونی، انرژی الکترون بیشتر است و پتانسیل یونیزاسیون برای الکترون های بیرونی به ترتیب کمتر است.

پوسته شامل یک یا چند سطح فرعی است: s، p، d، f، g، h، i. در هر پوسته تعداد زیرسطح ها نسبت به قبلی یک عدد افزایش می یابد. تعداد الکترون ها در هر زیرسطح و در هر پوسته نمی تواند از مقدار معینی تجاوز کند. آنها علاوه بر عدد کوانتومی اصلی، با همان مقدار ابر الکترونی مداری که شکل را تعیین می کند، مشخص می شوند. سطوح فرعی با پوسته ای که به آن تعلق دارند مشخص می شوند، به عنوان مثال، 2s، 4d، و غیره.

سطح فرعی شامل مواردی است که علاوه بر موارد اصلی و مداری، توسط یک عدد کوانتومی دیگر - مغناطیسی مشخص می شود که پیش بینی حرکت مداری الکترون را بر روی جهت میدان مغناطیسی تعیین می کند. یک اوربیتال نمی تواند بیش از دو الکترون داشته باشد که در مقدار چهارمین عدد کوانتومی - اسپین - متفاوت است.

بیایید با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم که چگونه تشعشعات پرتو ایکس مشخص می شود. از آنجایی که منشأ این نوع انتشار الکترومغناطیسی با پدیده‌هایی که در داخل اتم رخ می‌دهند مرتبط است، توصیف دقیق آن در تقریب پیکربندی‌های الکترونیکی راحت‌تر است.

مکانیسم تولید تشعشعات پرتو ایکس مشخصه

بنابراین، علت این تابش، ایجاد جای خالی الکترون در پوسته های داخلی است که ناشی از نفوذ الکترون های پرانرژی به اعماق اتم است. احتمال برهمکنش یک الکترون سخت با چگالی ابرهای الکترونی افزایش می یابد. بنابراین، برخوردها به احتمال زیاد در پوسته های داخلی محکم بسته شده، مانند پایین ترین پوسته K رخ می دهد. در اینجا اتم یونیزه می شود و یک جای خالی در پوسته 1 تشکیل می شود.

این جای خالی توسط الکترونی از پوسته با انرژی بالاتر پر می شود که مازاد آن توسط فوتون اشعه ایکس دور می شود. این الکترون می‌تواند از لایه دوم L، از لایه سوم M و غیره بیفتد. اینگونه است که یک سری مشخصه شکل می گیرد، در این مثال سری K. نشانی از جایی که الکترونی که جای خالی را پر می کند از کجا آمده است به شکل یک شاخص یونانی در نام سری آورده شده است. "آلفا" به این معنی است که از پوسته L می آید، "بتا" به این معنی است که از پوسته M می آید. در حال حاضر، تمایل به جایگزینی شاخص های حروف یونانی با شاخص های لاتین که برای تعیین پوسته ها اتخاذ شده است وجود دارد.

شدت خط آلفا در این سری همیشه بالاترین است - این بدان معنی است که احتمال پر کردن جای خالی از پوسته همسایه بالاترین است.

اکنون می‌توانیم به این سؤال پاسخ دهیم که حداکثر انرژی یک کوانتوم تابش پرتو ایکس مشخصه چقدر است. با تفاوت در مقادیر انرژی سطوحی که بین آنها انتقال الکترون اتفاق می افتد، طبق فرمول E = E n 2 - E n 1 تعیین می شود، که در آن En 2 و En 1 انرژی های الکترونیکی هستند. حالت هایی که بین آنها انتقال رخ داده است. بالاترین مقدار این پارامتر توسط انتقال سری K از بالاترین سطوح اتم های عناصر سنگین به دست می آید. اما شدت این خطوط (ارتفاع قله ها) کمترین است، زیرا کمترین احتمال را دارند.

اگر به دلیل ولتاژ ناکافی در الکترودها، یک الکترون سخت نتواند به سطح K برسد، یک جای خالی در سطح L ایجاد می کند و یک سری L کم انرژی با طول موج های بلندتر تشکیل می شود. سری های بعدی نیز به روشی مشابه متولد می شوند.

علاوه بر این، هنگامی که یک جای خالی در نتیجه یک انتقال الکترونیکی پر می شود، یک جای خالی جدید در پوسته پوشاننده ظاهر می شود. این شرایط را برای تولید سری بعدی ایجاد می کند. جای خالی الکترون از سطحی به سطح دیگر حرکت می کند و اتم در حالی که یونیزه می شود، آبشاری از سری های طیفی مشخصه ساطع می کند.

ساختار ظریف طیف های مشخصه

طیف پرتو ایکس اتمی تابش پرتو ایکس مشخصه با ساختار ظریفی مشخص می‌شود که مانند طیف‌های نوری، در تقسیم خط بیان می‌شود.

ساختار خوب به این دلیل است که سطح انرژی - پوسته الکترونی - مجموعه ای از اجزای نزدیک به هم - لایه های فرعی است. برای توصیف لایه‌های فرعی، عدد کوانتومی داخلی دیگری j معرفی شده است که برهمکنش گشتاورهای مغناطیسی خود الکترون و مداری را منعکس می‌کند.

به دلیل تأثیر برهمکنش اسپین-مدار، ساختار انرژی اتم پیچیده‌تر می‌شود و در نتیجه تابش پرتو ایکس دارای طیفی است که با خطوط تقسیم شده با عناصر بسیار نزدیک مشخص می‌شود.

عناصر ساختار ظریف معمولاً با شاخص های دیجیتال اضافی مشخص می شوند.

تشعشعات پرتو ایکس مشخصه دارای یک ویژگی است که فقط در ساختار ظریف طیف منعکس می شود. انتقال یک الکترون به سطح انرژی پایین تر از زیر لایه پایین تر سطح بالاتر اتفاق نمی افتد. چنین رویدادی احتمال ناچیزی دارد.

استفاده از اشعه ایکس در طیف سنجی

این تشعشع به دلیل ویژگی هایی که توسط قانون موزلی شرح داده شده است، زیربنای روش های طیفی اشعه ایکس مختلف برای تجزیه و تحلیل مواد است. هنگام تجزیه و تحلیل طیف پرتو ایکس، از پراش تابش بر روی کریستال ها (روش پراکندگی موج) یا آشکارسازهای حساس به انرژی فوتون های اشعه ایکس جذب شده (روش پراکندگی انرژی) استفاده می شود. اکثر میکروسکوپ های الکترونی به نوعی از اتصالات طیف سنجی اشعه ایکس مجهز هستند.

طیف سنجی پراکندگی موج بسیار دقیق است. با استفاده از فیلترهای ویژه، شدیدترین قله ها در طیف برجسته می شوند و امکان به دست آوردن تشعشعات تقریباً تک رنگ با فرکانس دقیق شناخته شده را فراهم می کنند. ماده آند با دقت بسیار انتخاب می شود تا اطمینان حاصل شود که یک پرتو تک رنگ با فرکانس مورد نظر به دست می آید. پراش آن بر روی شبکه کریستالی ماده مورد مطالعه به فرد اجازه می دهد تا ساختار شبکه را با دقت زیادی مطالعه کند. از این روش در مطالعه DNA و سایر مولکول های پیچیده نیز استفاده می شود.

یکی از ویژگی های تابش پرتو ایکس مشخصه نیز در طیف سنجی گاما در نظر گرفته شده است. این یک اوج مشخصه با شدت بالا است. طیف‌سنج‌های گاما از محافظ سرب در برابر تشعشعات پس‌زمینه خارجی استفاده می‌کنند که در اندازه‌گیری‌ها اختلال ایجاد می‌کند. اما سرب، جذب اشعه گاما، یونیزاسیون داخلی را تجربه می کند، در نتیجه به طور فعال در محدوده اشعه ایکس ساطع می کند. برای جذب پیک های شدید تشعشعات پرتو ایکس سرب، از محافظ کادمیوم اضافی استفاده می شود. به نوبه خود یونیزه می شود و همچنین اشعه ایکس ساطع می کند. برای خنثی کردن قله های مشخصه کادمیوم، از یک لایه محافظ سوم - مس استفاده می شود که حداکثر اشعه ایکس آن خارج از محدوده فرکانس کاری طیف سنج گاما قرار دارد.

طیف سنجی هم از پرتوهای bremsstrahlung و هم از پرتوهای X مشخصه استفاده می کند. بنابراین، هنگام تجزیه و تحلیل مواد، طیف جذب پرتوهای ایکس پیوسته توسط مواد مختلف مورد مطالعه قرار می گیرد.

1. Bremsstrahlung و تشعشعات پرتو ایکس مشخصه،

خواص و ویژگی های اصلی

در سال 1895، دانشمند آلمانی رونتگن برای اولین بار درخشش یک صفحه فلورسنت را کشف کرد که در اثر تشعشع نامرئی با چشم از بخش شیشه ای لوله تخلیه گاز واقع در مقابل کاتد ایجاد می شد. این نوع تابش توانایی عبور از مواد غیرقابل نفوذ نور مرئی را داشت. رونتگن آنها را اشعه ایکس نامید و خواص اساسی را ایجاد کرد که به آنها اجازه می دهد در شاخه های مختلف علم و فناوری از جمله پزشکی استفاده شوند.

تابش اشعه ایکس تابشی با طول موج 80-10-5 نانومتر است. تابش اشعه ایکس موج بلند با تابش اشعه ماوراء بنفش موج کوتاه همپوشانی دارد، تابش موج کوتاه با تابش موج بلند G همپوشانی دارد. در پزشکی، از تابش اشعه ایکس با طول موج 10 تا 0.005 نانومتر استفاده می شود که مربوط به انرژی فوتون از 10 2 EV تا 0.5 MeV است. تابش اشعه ایکس برای چشم نامرئی است، بنابراین تمام مشاهدات با آن با استفاده از صفحه های فلورسنت یا فیلم های عکاسی انجام می شود، زیرا باعث درخشندگی اشعه ایکس می شود و اثر فتوشیمیایی دارد. مشخص است که بیشتر اجسام غیر قابل نفوذ در برابر تابش نوری تا حد زیادی در برابر تابش اشعه ایکس شفاف هستند که دارای خواص مشترک با امواج الکترومغناطیسی است. با این حال، به دلیل طول موج کوتاه، تشخیص برخی از خواص دشوار است. بنابراین، ماهیت موجی تابش بسیار دیرتر از کشف آنها مشخص شد.

بر اساس روش برانگیختگی، تابش اشعه ایکس به دو دسته تابش bremsstrahlung و تشعشع مشخصه تقسیم می شود.

پرتوهای ایکس Bremsstrahlung ناشی از کاهش سرعت الکترون‌های با حرکت سریع توسط میدان الکتریکی اتم (هسته و الکترون‌ها) ماده‌ای است که از طریق آن پرواز می‌کنند. مکانیسم این تابش را می توان با این واقعیت توضیح داد که هر بار متحرک نشان دهنده جریانی است که در اطراف آن میدان مغناطیسی ایجاد می شود که القای (B) آن به سرعت الکترون بستگی دارد. هنگام ترمزگیری، القای مغناطیسی کاهش می یابد و مطابق با نظریه ماکسول، یک موج الکترومغناطیسی ظاهر می شود.

هنگامی که الکترون ها کند می شوند، تنها بخشی از انرژی برای ایجاد یک فوتون اشعه ایکس استفاده می شود، بخشی دیگر صرف گرم کردن آند می شود. فرکانس (طول موج) فوتون به انرژی جنبشی اولیه الکترون و شدت کاهش سرعت آن بستگی دارد. علاوه بر این، حتی اگر انرژی جنبشی اولیه یکسان باشد، شرایط کاهش سرعت در ماده متفاوت خواهد بود، بنابراین فوتون های ساطع شده متنوع ترین انرژی ها، و در نتیجه، طول موج ها، یعنی. طیف اشعه ایکس پیوسته خواهد بود. شکل 1 طیف bremsstrahlung اشعه ایکس را در ولتاژهای مختلف U 1 نشان می دهد.

.

اگر U بر حسب کیلوولت بیان شود و رابطه بین مقادیر دیگر در نظر گرفته شود، فرمول به نظر می رسد: l k = 1.24/U (nm) یا l k = 1.24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).

از نمودارهای بالا می توان دریافت که طول موج l m که بیشترین انرژی تابش را به خود اختصاص می دهد، در یک رابطه ثابت با طول موج قطع l k است:

.

طول موج انرژی یک فوتون را مشخص می کند که توانایی نفوذ تابش در تعامل با ماده به آن بستگی دارد.

اشعه ایکس موج کوتاه معمولا قدرت نفوذ بالایی دارد و سخت نامیده می شود، در حالی که اشعه ایکس با موج بلند نرم نامیده می شود. همانطور که از فرمول بالا مشاهده می شود، طول موجی که در آن حداکثر انرژی تابش رخ می دهد با ولتاژ بین آند و کاتد لوله نسبت معکوس دارد. با افزایش ولتاژ در آند تیوب اشعه ایکس، ترکیب طیفی تابش تغییر کرده و سختی آن افزایش می یابد.

هنگامی که ولتاژ رشته تغییر می کند (دمای رشته کاتد تغییر می کند)، تعداد الکترون های ساطع شده توسط کاتد در واحد زمان تغییر می کند یا بر این اساس، قدرت جریان در مدار آند لوله تغییر می کند. در این حالت توان تابش متناسب با توان اول قدرت جریان تغییر می کند. ترکیب طیفی تابش تغییر نخواهد کرد.

کل شار (قدرت) تابش، توزیع انرژی بر روی طول موج ها، و همچنین مرز طیف در سمت طول موج های کوتاه به سه دلیل زیر بستگی دارد: ولتاژ U که الکترون های شتاب دهنده و اعمال شده بین آند و کاتد لوله است. ; تعداد الکترون های دخیل در تشکیل تابش، به عنوان مثال. جریان فیلامنت لوله; عدد اتمی Z ماده آندی که در آن کاهش سرعت الکترون رخ می دهد.

شار bremsstrahlung اشعه ایکس با استفاده از فرمول محاسبه می شود: , Where ,

Z-عدد اتمی یک ماده (عدد اتمی).

با افزایش ولتاژ در لوله اشعه ایکس، می توان متوجه ظهور خطوط منفرد (طیف خط) در پس زمینه تابش پرتو ایکس برمسترالونگ پیوسته شد که با تشعشع پرتو ایکس مشخصه مطابقت دارد. در هنگام انتقال الکترون ها بین لایه های داخلی اتم ها در یک ماده (پوسته های K، L، M) رخ می دهد. ماهیت خطی طیف تابش مشخصه به دلیل این واقعیت است که الکترون های شتاب گرفته به اعماق اتم ها نفوذ می کنند و الکترون ها را از لایه های داخلی خود خارج از اتم می کوبند. الکترون‌ها (شکل 2) از لایه‌های بالایی به مکان‌های آزاد حرکت می‌کنند، در نتیجه فوتون‌های اشعه ایکس با فرکانس مربوط به تفاوت در سطوح انرژی انتقالی گسیل می‌شوند. خطوط در طیف تابش مشخصه به صورت سری‌های مربوط به انتقال الکترون‌ها با سطح بالاتر در سطح K، L، M ترکیب می‌شوند.

تأثیر خارجی که در نتیجه آن الکترون از لایه‌های داخلی خارج می‌شود، باید کاملاً قوی باشد. برخلاف طیف های نوری، طیف های پرتو ایکس مشخصه اتم های مختلف از یک نوع هستند. یکنواختی این طیف ها به این دلیل است که لایه های داخلی اتم های مختلف یکسان هستند و فقط از نظر انرژی با هم تفاوت دارند. با افزایش تعداد ترتیبی عنصر، تأثیر نیرو از هسته افزایش می‌یابد. این منجر به این واقعیت می شود که با افزایش بار هسته ای، طیف مشخصه به سمت فرکانس های بالاتر تغییر می کند. این رابطه به قانون موزلی معروف است: ، جایی که A و B ثابت هستند. Z-عدد ترتیبی عنصر.

تفاوت دیگری بین اشعه ایکس و طیف نوری وجود دارد. طیف مشخصه یک اتم به ترکیب شیمیایی که اتم در آن گنجانده شده است بستگی ندارد. به عنوان مثال، طیف اشعه ایکس اتم اکسیژن برای O، O 2، H 2 O یکسان است، در حالی که طیف نوری این ترکیبات به طور قابل توجهی متفاوت است. این ویژگی طیف اشعه ایکس اتم ها به عنوان پایه ای برای نام "ویژگی" عمل کرد.

تابش مشخصه زمانی رخ می دهد که فضاهای آزاد در لایه های داخلی اتم وجود داشته باشد، صرف نظر از دلایلی که باعث آن شده است. به عنوان مثال، با یک نوع واپاشی رادیواکتیو همراه است که شامل گرفتن الکترون از لایه داخلی توسط هسته است.

2. چیدمان لوله های اشعه ایکس و تک یاخته ها

دستگاه اشعه ایکس.

رایج ترین منبع تابش اشعه ایکس یک لوله اشعه ایکس - یک دستگاه خلاء دو الکترودی است (شکل 3). این یک بالون شیشه ای است (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg) با دو الکترود - آند A و کاتد K که بین آنها ولتاژ بالا ایجاد می شود. کاتد گرم شده (K) الکترون ساطع می کند. آند A اغلب آنتی کاتد نامیده می شود. این یک سطح شیبدار دارد تا تابش اشعه ایکس حاصل را با زاویه ای نسبت به محور لوله هدایت کند. آند از فلزی با رسانایی حرارتی خوب (مس) ساخته شده است تا گرمای ایجاد شده هنگام برخورد الکترون ها را حذف کند. در انتهای اریب آند صفحه 3 از یک فلز نسوز (تنگستن) با عدد اتمی بالا وجود دارد که به آن آینه آند می گویند. در برخی موارد، آند به طور ویژه با آب یا روغن خنک می شود. برای لوله های تشخیصی، دقت منبع اشعه ایکس مهم است که می توان با تمرکز الکترون ها در یک مکان روی آند به آن دست یافت. بنابراین، به طور سازنده لازم است دو وظیفه متضاد در نظر گرفته شود: از یک طرف، الکترون ها باید در یک محل آند بیفتند، از طرف دیگر، برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، توزیع الکترون ها در مناطق مختلف مطلوب است. آند به همین دلیل، برخی از لوله های اشعه ایکس با یک آند چرخان تولید می شوند.

در لوله‌ای با هر طرحی، الکترون‌هایی که با ولتاژ بین آند و کاتد شتاب می‌گیرند، روی آینه آند می‌افتند و به عمق ماده نفوذ می‌کنند، با اتم‌ها تعامل می‌کنند و میدان اتم‌ها مهار می‌شوند. این تابش اشعه ایکس bremsstrahlung تولید می کند. همزمان با bremsstrahlung، مقدار کمی (چند درصد) از تشعشعات مشخصه تشکیل می شود. فقط 1-2 درصد از الکترون هایی که به آند برخورد می کنند باعث برمسترالونگ می شوند و بقیه یک اثر حرارتی است. برای متمرکز کردن الکترون ها، کاتد دارای یک کلاهک راهنما است. بخشی از آینه تنگستن که جریان اصلی الکترون ها روی آن می ریزد کانون لوله نامیده می شود. عرض پرتو تابش به مساحت آن (تیزبینی فوکوس) بستگی دارد.

برای تغذیه لوله، دو منبع مورد نیاز است: یک منبع ولتاژ بالا برای مدار آند و یک منبع کم (6-8 ولت) برای تغذیه مدار رشته ای. هر دو منبع باید به طور مستقل تنظیم شوند. با تغییر ولتاژ آند، سختی تابش اشعه ایکس تنظیم می شود و با تغییر رشته، جریان مدار خروجی و بر این اساس، توان تابش تنظیم می شود.

نمودار الکتریکی اولیه یک دستگاه اشعه ایکس ساده در شکل 4 نشان داده شده است. مدار دارای دو ترانسفورماتور Tr.1 برای ولتاژ بالا و Tr.2 برای منبع تغذیه رشته ای است. ولتاژ بالا روی لوله توسط اتوترانسفورماتور Tr.3 که به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور Tr.1 متصل است، تنظیم می شود. سوئیچ K تعداد دور سیم پیچ اتوترانسفورماتور را تنظیم می کند. در این راستا، ولتاژ سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور که به آند لوله می رسد نیز تغییر می کند، یعنی. سختی قابل تنظیم است

جریان فیلامنت لوله توسط یک رئوستات R متصل به مدار سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور Tr.2 تنظیم می شود. جریان مدار آند با میلی‌متر اندازه‌گیری می‌شود. ولتاژ عرضه شده به الکترودهای لوله با یک کیلوولت متر کیلوولت اندازه گیری می شود یا ولتاژ در مدار آند را می توان با موقعیت سوئیچ K قضاوت کرد. مقدار جریان فیلامنت که توسط رئوستات تنظیم می شود با آمپرمتر A اندازه گیری می شود. در مدار مورد بررسی، لوله اشعه ایکس به طور همزمان یک ولتاژ متناوب بالا را اصلاح می کند.

به راحتی می توان دید که چنین لوله ای تنها یک نیم چرخه جریان متناوب را ساطع می کند. در نتیجه قدرت آن کم خواهد بود. به منظور افزایش توان تابشی، بسیاری از دستگاه ها از یکسو کننده های پرتو ایکس با ولتاژ بالا استفاده می کنند. برای این منظور از 4 کنوترون مخصوص استفاده می شود که در یک مدار پل به هم متصل می شوند. یک لوله اشعه ایکس در یک مورب پل گنجانده شده است.

3. برهم کنش اشعه ایکس با ماده

(پراکندگی منسجم، پراکندگی نامنسجم، اثر فوتوالکتریک).

هنگامی که اشعه ایکس بر روی جسمی می افتد، به مقدار کمی از آن منعکس می شود، اما عمدتاً به اعماق آن عبور می کند. در توده بدن، تشعشع تا حدی جذب می شود، تا حدی پراکنده می شود و تا حدی از آن عبور می کند. فوتون های پرتو ایکس با عبور از بدن، عمدتاً با الکترون های اتم ها و مولکول های ماده برهم کنش می کنند. ثبت و استفاده از تابش اشعه ایکس، و همچنین تاثیر آن بر اشیاء بیولوژیکی، توسط فرآیندهای اولیه برهمکنش فوتون پرتو ایکس با الکترون ها تعیین می شود. بسته به نسبت انرژی فوتون E و انرژی یونیزاسیون A I، سه فرآیند اصلی انجام می شود.

آ)پراکندگی منسجم.

پراکندگی پرتوهای ایکس با موج بلند اساساً بدون تغییر طول موج رخ می دهد و به آن منسجم می گویند. برهمکنش یک فوتون با الکترون‌های پوسته‌های داخلی، که محکم به هسته متصل هستند، فقط جهت آن را تغییر می‌دهد، بدون اینکه انرژی و در نتیجه طول موج آن تغییر کند (شکل 5).

اگر انرژی فوتون کمتر از انرژی یونیزاسیون باشد، پراکندگی منسجم رخ می دهد: 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.

ب)پراکندگی نامنسجم (اثر کامپتون).

در سال 1922، A. Compton با مشاهده پراکندگی پرتوهای ایکس سخت، کاهش قدرت نفوذ پرتو پراکنده را در مقایسه با پرتو فرودی کشف کرد. به پراکندگی اشعه ایکس با تغییر طول موج، اثر کامپتون می گویند. زمانی اتفاق می‌افتد که یک فوتون با هر انرژی با الکترون‌های لایه بیرونی اتم‌هایی که به‌طور ضعیفی به هسته متصل هستند، برهم‌کنش می‌دهد (شکل 6). یک الکترون از یک اتم حذف می شود (به این گونه الکترون ها، الکترون های پس زده می گویند). انرژی فوتون کاهش می یابد (طول موج بر این اساس افزایش می یابد) و جهت حرکت آن نیز تغییر می کند. اثر کامپتون در صورتی رخ می دهد که انرژی فوتون پرتو ایکس از انرژی یونیزاسیون بیشتر باشد: , . در این حالت الکترون های پس زده با انرژی جنبشی E K ظاهر می شوند.اتم ها و مولکول ها به یون تبدیل می شوند. اگر EK قابل توجه باشد، الکترون ها می توانند اتم های همسایه را با برخورد یونیزه کنند و الکترون های جدید (ثانویه) تشکیل دهند.

V)افکت عکس.

اگر انرژی فوتون hn برای جدا کردن یک الکترون کافی باشد، هنگام برهمکنش با یک اتم، فوتون جذب شده و الکترون از آن جدا می‌شود. این پدیده را اثر فوتوالکتریک می نامند. اتم یونیزه می شود (فتویونیزاسیون). در این صورت، الکترون انرژی جنبشی و اگر دومی را بدست می آورد مهم است، می تواند اتم های همسایه را با برخورد یونیزه کند و الکترون های جدید (ثانویه) تشکیل دهد. اگر انرژی فوتون برای یونیزاسیون کافی نباشد، اثر فوتوالکتریک می تواند خود را در تحریک یک اتم یا مولکول نشان دهد. در برخی از مواد این منجر به گسیل بعدی فوتون ها در ناحیه مرئی (لومینسانس اشعه ایکس) و در بافت ها به فعال شدن مولکول ها و واکنش های فتوشیمیایی می شود.

اثر فوتوالکتریک مشخصه فوتون هایی با انرژی در حد 0.5-1 MeV است.

سه فرآیند تعامل اصلی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، اولیه هستند، آنها به ثانویه، ثالث و غیره بعدی منجر می شوند. پدیده ها. هنگامی که اشعه ایکس وارد یک ماده می شود، تعدادی از فرآیندها می تواند قبل از تبدیل انرژی فوتون پرتو ایکس به انرژی حرکت حرارتی رخ دهد.

در نتیجه فرآیندهای فوق، شار اولیه تابش اشعه ایکس ضعیف می شود. این فرآیند از قانون بوگر پیروی می کند. بیایید آن را به شکل بنویسیم: Ф = Ф 0 e - mх، که در آن m ضریب میرایی خطی است، بسته به ماهیت ماده (عمدتاً بر اساس چگالی و عدد اتمی) و طول موج تابش (انرژی فوتون) . می توان آن را متشکل از سه عبارت مربوط به پراکندگی منسجم، پراکندگی نامنسجم و اثر فوتوالکتریک نشان داد: .

از آنجایی که ضریب جذب خطی به چگالی ماده بستگی دارد، ترجیح می دهند از ضریب تضعیف جرمی استفاده کنند که برابر با نسبت ضریب میرایی خطی به چگالی جاذب است و به چگالی ماده بستگی ندارد. وابستگی شار اشعه ایکس (شدت) به ضخامت فیلتر جذب کننده در شکل 7 برای H2O، Al و Cu نشان داده شده است. محاسبات نشان می دهد که لایه ای از آب به ضخامت 36 میلی متر، آلومینیوم 15 میلی متر و مس 1.6 میلی متر شدت تابش اشعه ایکس را 2 برابر کاهش می دهد. این ضخامت را ضخامت نیم لایه d می نامند. اگر ماده ای تابش اشعه ایکس را به نصف کاهش دهد، پس ، سپس ، یا ، ; ; . با دانستن ضخامت نیم لایه، همیشه می توانید m را تعیین کنید. بعد، ابعاد، اندازه.

4. استفاده از اشعه ایکس در پزشکی

(فلوروسکوپی، رادیوگرافی، توموگرافی اشعه ایکس، فلوروگرافی، رادیوتراپی).

یکی از رایج ترین کاربردهای پرتو ایکس در پزشکی، بررسی اندام های داخلی برای اهداف تشخیصی - تشخیص اشعه ایکس است.

برای تشخیص، از فوتون هایی با انرژی 60-120 کو استفاده می شود. در این مورد، ضریب جذب جرم عمدتاً توسط اثر فوتوالکتریک تعیین می شود. مقدار آن متناسب با l 3 (که توانایی نفوذ بالای تشعشع سخت را نشان می دهد) و متناسب با توان سوم تعداد اتم های ماده جاذب است: که در آن K ضریب تناسب است.

بدن انسان متشکل از بافت ها و اندام هایی است که توانایی های جذب متفاوتی نسبت به تابش اشعه ایکس دارند. بنابراین، هنگامی که با اشعه ایکس روشن می شود، یک تصویر سایه غیر یکنواخت روی صفحه به دست می آید که تصویری از محل اندام ها و بافت های داخلی می دهد. متراکم ترین بافت های جذب کننده تشعشع (قلب، رگ های بزرگ، استخوان ها) به رنگ تیره قابل مشاهده هستند و بافت هایی که کمترین جذب را دارند (ریه ها) نور هستند.

در بسیاری از موارد می توان در مورد وضعیت طبیعی یا پاتولوژیک آنها قضاوت کرد. تشخیص اشعه ایکس از دو روش اصلی استفاده می کند: فلوروسکوپی (انتقال) و رادیوگرافی (تصویر). اگر اندام مورد مطالعه و بافت های اطراف آن شار اشعه ایکس را تقریباً به طور مساوی جذب کنند، از مواد کنتراست ویژه استفاده می شود. به عنوان مثال، در آستانه معاینه اشعه ایکس معده یا روده، یک توده فرنی مانند سولفات باریم داده می شود، در این حالت می توانید تصویر سایه آنها را مشاهده کنید. در فلوروسکوپی و رادیوگرافی، تصویر اشعه ایکس تصویری خلاصه از کل ضخامت جسمی است که اشعه ایکس از آن عبور می کند. جزئیاتی که نزدیک‌ترین به صفحه نمایش یا فیلم هستند به وضوح مشخص می‌شوند، در حالی که آن‌هایی که دور هستند مبهم و تار می‌شوند. اگر ناحیه ای از نظر پاتولوژیک در برخی از اندام ها تغییر کرده باشد، به عنوان مثال، تخریب بافت ریه در یک کانون بزرگ التهاب، در برخی موارد ممکن است این ناحیه در رادیوگرافی با مجموع سایه ها "از بین برود". برای قابل مشاهده کردن آن، از روش خاصی استفاده می شود - توموگرافی (ضبط لایه به لایه)، که به شما امکان می دهد تصاویری از لایه های فردی منطقه مورد مطالعه را به دست آورید. این نوع تصاویر لایه به لایه - توموگرام با استفاده از دستگاه خاصی به نام توموگراف به دست می آید که در آن یک لوله اشعه ایکس (RT) و فیلم عکاسی (FP) به طور متناوب با هم، در پادفاز، نسبت به منطقه حرکت می کنند. مطالعه در این حالت، اشعه ایکس در هر موقعیتی از RT از همان نقطه جسم (منطقه تغییر یافته) عبور می کند، که مرکز نسبت به آن حرکت دوره ای RT و FP است. تصویر سایه ای از منطقه روی فیلم گرفته می شود. با تغییر موقعیت "مرکز چرخش"، می توان تصاویر لایه به لایه جسم را به دست آورد. با استفاده از یک پرتو نازک از تابش اشعه ایکس، یک صفحه نمایش ویژه (به جای FP) متشکل از آشکارسازهای نیمه هادی تشعشعات یونیزان، پردازش تصویر در طول توموگرافی با استفاده از کامپیوتر امکان پذیر است. این نسخه مدرن توموگرافی توموگرافی کامپیوتری نامیده می شود. توموگرافی به طور گسترده در مطالعه ریه ها، کلیه ها، کیسه صفرا، معده، استخوان ها و غیره استفاده می شود.

روشنایی تصویر روی صفحه و زمان نوردهی روی فیلم به شدت تابش اشعه ایکس بستگی دارد. هنگام استفاده از آن برای تشخیص، شدت نمی تواند زیاد باشد تا باعث ایجاد یک اثر بیولوژیکی نامطلوب نشود. بنابراین، تعدادی دستگاه فنی وجود دارد که روشنایی تصویر را در شدت های کم اشعه ایکس بهبود می بخشد. یکی از این دستگاه ها مبدل الکترون نوری است.

مثال دیگر فلوروگرافی است که در آن تصویری از یک صفحه بزرگ درخشان اشعه ایکس بر روی یک فیلم حساس با فرمت کوچک به دست می آید. هنگام عکاسی، از یک لنز با دیافراگم بالا استفاده می شود و تصاویر تمام شده با استفاده از ذره بین مخصوص بررسی می شوند.

فلوروگرافی توانایی بیشتری را برای تشخیص بیماری های پنهان (بیماری های اندام های قفسه سینه، دستگاه گوارش، سینوس های پارانازال و غیره) با توان عملیاتی قابل توجهی ترکیب می کند و بنابراین یک روش بسیار موثر برای تحقیقات انبوه (در خط) است.

از آنجایی که عکاسی از تصویر اشعه ایکس در حین فلوروگرافی با استفاده از اپتیک عکاسی انجام می شود، تصویر در فلوروگرام در مقایسه با اشعه ایکس کاهش می یابد. از این نظر، وضوح یک فلوروگرام (یعنی قابلیت تشخیص جزئیات کوچک) کمتر از یک رادیوگرافی معمولی است، اما بیشتر از فلوروسکوپی است.

دستگاهی طراحی شده است - یک توموفلوئوروگراف، که امکان به دست آوردن فلوروگرام از قسمت های بدن و اندام های فردی را در یک عمق مشخص می دهد - به اصطلاح تصاویر لایه به لایه (برش) - توموفلوروگرام.

از اشعه ایکس نیز برای اهداف درمانی (اشعه درمانی) استفاده می شود. اثر بیولوژیکی تشعشع، مختل کردن فعالیت حیاتی سلول ها، به ویژه سلول هایی است که به سرعت در حال رشد هستند. در این راستا از اشعه ایکس برای درمان تومورهای بدخیم استفاده می شود. انتخاب دوز تشعشع کافی برای از بین بردن کامل تومور با آسیب نسبتاً جزئی به بافت سالم اطراف امکان پذیر است که به دلیل بازسازی بعدی ترمیم می شود.

شدت- مشخصه کمی تابش اشعه ایکس که با تعداد پرتوهای ساطع شده توسط لوله در واحد زمان بیان می شود. شدت تابش اشعه ایکس بر حسب میلی آمپر اندازه گیری می شود. با مقایسه آن با شدت نور مرئی از یک لامپ رشته ای معمولی، می توانیم یک قیاس را ترسیم کنیم: به عنوان مثال، یک لامپ 20 وات با یک شدت یا قدرت می درخشد و یک لامپ 200 وات با دیگری می درخشد، در حالی که کیفیت خود نور (طیف آن) یکسان است. شدت اشعه ایکس اساساً مقدار آن است. هر الکترون یک یا چند کوانتا تابش در آند ایجاد می کند، بنابراین، تعداد پرتوهای ایکس هنگام قرار گرفتن در معرض یک جسم با تغییر تعداد الکترون هایی که به آند تمایل دارند و تعداد برهمکنش های الکترون ها با اتم های هدف تنگستن تنظیم می شود. ، که به دو روش قابل انجام است:

1. با تغییر درجه حرارت مارپیچ کاتد با استفاده از یک ترانسفورماتور کاهنده (تعداد الکترون های تولید شده در حین انتشار به گرم بودن مارپیچ تنگستن بستگی دارد و تعداد کوانتوم های تابشی به تعداد الکترون ها بستگی دارد) ;

2. با تغییر مقدار ولتاژ بالا عرضه شده توسط ترانسفورماتور افزایش دهنده به قطب های لوله - کاتد و آند (هر چه ولتاژ بیشتر به قطب های لوله اعمال شود، الکترون ها انرژی جنبشی بیشتری دریافت می کنند. ، که به دلیل انرژی خود می توانند به نوبه خود با چندین اتم ماده آند تعامل داشته باشند - ببینید. برنج. 5; الکترون های با انرژی کم قادر خواهند بود وارد برهمکنش های کمتری شوند).

شدت اشعه ایکس (جریان آند) ضرب در زمان نوردهی (زمان کار لوله) مطابق با نوردهی اشعه ایکس است که بر حسب میلی آمپر (میلی آمپر بر ثانیه) اندازه گیری می شود. نوردهی پارامتری است که مانند شدت، تعداد پرتوهای ساطع شده از لوله اشعه ایکس را مشخص می کند. تنها تفاوت این است که نوردهی زمان عملکرد لوله را نیز در نظر می گیرد (مثلاً اگر لوله 0.01 ثانیه کار کند، تعداد پرتوها یک و اگر 0.02 ثانیه باشد، تعداد پرتوها خواهد بود. متفاوت - دو بار بیشتر). قرار گرفتن در معرض تابش توسط رادیولوژیست بر روی صفحه کنترل دستگاه اشعه ایکس بسته به نوع معاینه، اندازه جسم مورد بررسی و کار تشخیصی تنظیم می شود.

سختی- ویژگی های کیفی تابش اشعه ایکس. با بزرگی ولتاژ بالای لوله - بر حسب کیلوولت اندازه گیری می شود. قدرت نفوذ اشعه ایکس را تعیین می کند. توسط ولتاژ بالایی که توسط یک ترانسفورماتور افزایش دهنده به لوله اشعه ایکس عرضه می شود، تنظیم می شود. هرچه اختلاف پتانسیل بیشتر در الکترودهای لوله ایجاد شود، نیروی بیشتری از کاتد دفع می شود و به سمت آند می روند و برخورد آنها با آند قوی تر می شود. هرچه برخورد آنها قوی تر باشد، طول موج تابش اشعه ایکس حاصل کوتاه تر است و توانایی نفوذ این موج (یا سختی تابش، که مانند شدت، بر روی پانل کنترل توسط پارامتر ولتاژ تنظیم می شود) بیشتر می شود. لوله - کیلوولتاژ).

برنج. 7- وابستگی طول موج به انرژی موج:

λ - طول موج؛
E - انرژی موج

· هر چه انرژی جنبشی الکترون های متحرک بیشتر باشد، تأثیر آنها بر آند قوی تر و طول موج تابش اشعه ایکس حاصله کوتاه تر می شود. تابش اشعه ایکس با طول موج بلند و قدرت نفوذ کم «نرم» و تابش اشعه ایکس با طول موج کوتاه و قدرت نفوذ بالا «سخت» نامیده می شود.

برنج. 8 - رابطه بین ولتاژ لوله اشعه ایکس و طول موج تابش اشعه ایکس حاصل:

· هر چه ولتاژ بیشتر به قطب های لوله اعمال شود، اختلاف پتانسیل در آنها قوی تر ظاهر می شود، بنابراین انرژی جنبشی الکترون های متحرک بیشتر خواهد بود. ولتاژ روی لوله، سرعت الکترون ها و نیروی برخورد آنها با ماده آند را تعیین می کند؛ بنابراین، ولتاژ طول موج تابش اشعه ایکس حاصل را تعیین می کند.