X-ışını radyasyonu, yaklaşık 80 ila 10-5 nm uzunluğunda elektromanyetik dalgaları ifade eder. En uzun dalga X-ışını radyasyonu, kısa dalga ultraviyole radyasyonu ile örtüşür ve kısa dalga X-ışını radyasyonu, uzun dalga γ radyasyonu ile örtüşür. Uyarma yöntemine dayanarak, X-ışını radyasyonu bremsstrahlung ve karakteristik olarak ikiye ayrılır.
31.1. X-RAY TÜP CİHAZI. Bremsstrahlung Röntgeni
En yaygın X-ışını radyasyonu kaynağı, iki elektrotlu bir vakum cihazı olan bir X-ışını tüpüdür (Şekil 31.1). Isıtmalı katot 1 elektron yayar 4. Genellikle antikatot olarak adlandırılan anot 2, ortaya çıkan X-ışını radyasyonunu yönlendirmek için eğimli bir yüzeye sahiptir. 3 tüp eksenine açılı olarak. Anot, elektron darbeleri tarafından üretilen ısıyı uzaklaştırmak için yüksek ısı iletkenliğine sahip bir malzemeden yapılmıştır. Anot yüzeyi, periyodik tabloda büyük atom numarasına sahip olan, örneğin tungsten gibi refrakter malzemelerden yapılmıştır. Bazı durumlarda anot, su veya yağ ile özel olarak soğutulur.
Teşhis tüpleri için, X-ışını kaynağının kesinliği önemlidir; bu, elektronların antikatodun bir yerine odaklanmasıyla elde edilebilir. Bu nedenle yapıcı olarak iki karşıt görevi hesaba katmak gerekir: bir yandan elektronların anotun bir yerine düşmesi gerekir, diğer yandan aşırı ısınmayı önlemek için elektronların anotun farklı alanlarına dağıtılması arzu edilir. anot. İlginç bir teknik çözüm, dönen anotlu bir X-ışını tüpüdür (Şekil 31.2).
Bir elektronun (veya başka bir yüklü parçacığın) atom çekirdeğinin elektrostatik alanı ve maddenin atomik elektronları tarafından frenlenmesinin bir sonucu olarak, bir antikatot ortaya çıkar. Bremsstrahlung X-ışını radyasyonu.
Mekanizmasını şu şekilde açıklayabiliriz. Hareket eden bir elektrik yüküne, indüksiyonu elektronun hızına bağlı olan bir manyetik alan eşlik eder. Fren yaparken manyetik alan azalır
indüksiyon ve Maxwell teorisine göre bir elektromanyetik dalga ortaya çıkar.
Elektronlar yavaşlatıldığında, enerjinin yalnızca bir kısmı bir x-ışını fotonu oluşturmak için kullanılır, diğer kısmı anodu ısıtmak için harcanır. Bu parçalar arasındaki ilişki rastgele olduğundan çok sayıda elektron yavaşlatıldığında sürekli bir X-ışını radyasyonu spektrumu oluşur. Bu bağlamda bremsstrahlung'a sürekli radyasyon da denir. İncirde. Şekil 31.3, X-ışını tüpündeki farklı voltajlarda X-ışını akısının dalga boyu λ (spektrum) üzerindeki bağımlılığını göstermektedir: U 1< U 2 < U 3 .
Spektrumların her birinde, en kısa dalga boylu bremsstrahlung şu şekildedir: λ ηίη Hızlanan bir alanda bir elektronun kazandığı enerjinin tamamen foton enerjisine dönüştürülmesiyle oluşur:
Planck sabitini deneysel olarak belirlemek için en doğru yöntemlerden birinin (31.2) temel alınarak geliştirildiğine dikkat edin.
Kısa dalga X-ışınları genellikle uzun dalga X-ışınlarından daha nüfuz edicidir ve bunlara denir. zorlu, ve uzun dalga - yumuşak.
X-ışını tüpü üzerindeki voltajın arttırılmasıyla, Şekil 2'de görülebileceği gibi radyasyonun spektral bileşimi değişir. 31.3 ve formüller (31.3) ve sertliği arttırın.
Katodun filaman sıcaklığını arttırırsanız elektron emisyonu ve tüpteki akım artacaktır. Bu, her saniye yayılan X-ışını fotonlarının sayısını artıracaktır. Spektral bileşimi değişmeyecektir. İncirde. Şekil 31.4 aynı voltajda fakat farklı katot ısıtma akımlarında X-ışını bremsstrahlung spektrumunu göstermektedir: / n1< / н2 .
X-ışını akısı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:
Nerede sen Ve BEN - X-ışını tüpündeki voltaj ve akım; Z- anot maddesinin atomunun seri numarası; k- orantılılık katsayısı. Aynı anda farklı antikatotlardan elde edilen spektrumlar sen ve I H Şekil 2'de gösterilmektedir. 31.5.
31.2. KARAKTERİSTİK X-IŞINI RADYASYONU. ATOMİK X-IŞINI SPEKTRALARI
X-ışını tüpündeki voltajın arttırılmasıyla, sürekli bir spektrumun arka planında, aşağıdakilere karşılık gelen bir çizgi spektrumunun görünümü fark edilebilir:
karakteristik x-ışını radyasyonu(Şekil 31.6). Hızlandırılmış elektronların atomun derinliklerine nüfuz etmesi ve elektronları iç katmanlardan çıkarması nedeniyle ortaya çıkar. Üst seviyelerden gelen elektronlar serbest yerlere hareket eder (Şekil 31.7), bunun sonucunda karakteristik radyasyonun fotonları yayılır. Şekilden görülebileceği gibi karakteristik X-ışını radyasyonu serilerden oluşur. K, L, M vb. adı elektronik katmanları belirlemeye hizmet ediyordu. K serisinin emisyonu daha yüksek katmanlarda yer açtığından aynı anda diğer serilerin hatları da yayılır.
Optik spektrumların aksine, farklı atomların karakteristik X-ışını spektrumları aynı tiptedir. İncirde. Şekil 31.8 çeşitli elementlerin spektrumlarını göstermektedir. Bu spektrumların tekdüzeliği, farklı atomların iç katmanlarının aynı olması ve yalnızca enerjisel olarak farklı olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır, çünkü elementin atom numarası arttıkça çekirdekten gelen kuvvet etkisi de artar. Bu durum nükleer yükün artmasıyla karakteristik spektrumların daha yüksek frekanslara doğru kaymasına neden olur. Bu desen şekil 2'de görülebilir. 31.8 olarak bilinir Moseley yasası:
Nerede v- spektral çizgi frekansı; Z- yayan elementin atom numarası; A Ve İÇİNDE- kalıcı.
Optik ve x-ışını spektrumları arasında başka bir fark daha vardır.
Bir atomun karakteristik X-ışını spektrumu, bu atomun dahil olduğu kimyasal bileşiğe bağlı değildir. Örneğin oksijen atomunun X-ışını spektrumu O, O2 ve H2O için aynıyken, bu bileşiklerin optik spektrumları önemli ölçüde farklıdır. Atomun X-ışını spektrumunun bu özelliği, atomun isminin temelini oluşturdu. karakteristik.
Karakteristik radyasyon, nedeni ne olursa olsun, her zaman atomun iç katmanlarında boş alan olduğunda meydana gelir. Örneğin, karakteristik radyasyon, bir elektronun iç katmandan çekirdek tarafından yakalanmasından oluşan radyoaktif bozunma türlerinden birine (bkz. 32.1) eşlik eder.
31.3. X-IŞINI RADYASYONUNUN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ
X-ışını radyasyonunun kaydı ve kullanımı ile biyolojik nesneler üzerindeki etkisi, X-ışını fotonunun maddenin atomlarının ve moleküllerinin elektronları ile etkileşiminin birincil süreçleri tarafından belirlenir.
Enerji oranına bağlı olarak hv foton ve iyonlaşma enerjisi 1 A ve üç ana işlem gerçekleşir.
Tutarlı (klasik) saçılma
Uzun dalga X-ışınlarının saçılması esasen dalga boyunu değiştirmeden gerçekleşir ve buna denir. tutarlı. Foton enerjisi iyonlaşma enerjisinden daha az olduğunda meydana gelir: hv< A ve.
Bu durumda X-ışını fotonunun ve atomun enerjisi değişmediğinden, kendi içinde tutarlı saçılma biyolojik bir etkiye neden olmaz. Ancak X-ışını radyasyonuna karşı koruma oluştururken birincil ışının yönünü değiştirme olasılığı dikkate alınmalıdır. Bu tür etkileşim X-ışını kırınım analizi için önemlidir (bkz. 24.7).
Tutarsız saçılma (Compton etkisi)
1922'de A.Kh. Sert X-ışınlarının saçılımını gözlemleyen Compton, gelen ışınla karşılaştırıldığında saçılan ışının nüfuz etme gücünde bir azalma olduğunu keşfetti. Bu, saçılan X ışınlarının dalga boyunun, gelen X ışınlarından daha uzun olduğu anlamına geliyordu. X ışınlarının dalga boyunda değişiklik yaparak saçılmasına denir. tutarsız nom ve fenomenin kendisi - Compton etkisi. X-ışını fotonunun enerjisi iyonlaşma enerjisinden büyükse meydana gelir: hv > A ve.
Bu fenomen, bir atomla etkileşime girdiğinde enerjinin ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır. hv foton, enerjiyle yeni bir saçılmış X-ışını fotonunun oluşumu için harcanır hv", bir atomdan bir elektronu çıkarmak (iyonlaşma enerjisi A ve) ve elektrona kinetik enerji vermek E'ye:
hv= hv" + A ve + E k.(31.6)
1 Burada iyonlaşma enerjisi, bir atom veya molekülden iç elektronları çıkarmak için gereken enerjiyi ifade eder.
Çünkü birçok durumda hv>> Ve Compton etkisi serbest elektronlar üzerinde meydana gelirse, yaklaşık olarak şunu yazabiliriz:
hv = hv"+ E K .(31.7)
Bu fenomende (Şekil 31.9), ikincil X-ışını radyasyonuyla (enerji) birlikte olması önemlidir. hv" foton) geri tepme elektronları ortaya çıkar (kinetik enerji E k elektron). Atomlar veya moleküller daha sonra iyon haline gelir.
Fotoğraf efekti
Fotoelektrik etkide, X-ışınları bir atom tarafından emilir ve bir elektronun dışarı fırlamasına ve atomun iyonlaşmasına (fotoiyonizasyon) neden olur.
Yukarıda tartışılan üç ana etkileşim süreci birincildir ve daha sonra ikincil, üçüncül vb. süreçlere yol açar. fenomen. Örneğin, iyonize atomlar karakteristik bir spektrum yayabilir, uyarılmış atomlar görünür ışık kaynağı haline gelebilir (x-ışını lüminesansı), vb.
İncirde. 31.10, X-ışını radyasyonu bir maddeye girdiğinde meydana gelen olası süreçlerin bir diyagramını gösterir. X-ışını fotonunun enerjisi moleküler termal hareket enerjisine dönüştürülmeden önce tasvir edilene benzer birkaç düzine süreç gerçekleşebilir. Bunun sonucunda maddenin moleküler bileşiminde değişiklikler meydana gelecektir.
Şekil 2'deki diyagramda gösterilen süreçler. Şekil 31.10, X-ışınları maddeye etki ettiğinde gözlemlenen olayların temelini oluşturur. Bunlardan bazılarını listeleyelim.
X-ışını lüminesansı- X-ışını radyasyonu altında bir dizi maddenin parlaması. Platin-sinoksit baryumun bu parıltısı, Roentgen'in ışınları keşfetmesine olanak sağladı. Bu fenomen, X-ışını radyasyonunun görsel olarak gözlemlenmesi amacıyla, bazen de X-ışınlarının bir fotoğraf plakası üzerindeki etkisini arttırmak amacıyla özel parlak ekranlar oluşturmak için kullanılır.
X-ışını radyasyonunun kimyasal etkileri bilinmektedir; örneğin suda hidrojen peroksit oluşumu. Pratik olarak önemli bir örnek, bu tür ışınların kaydedilmesine olanak tanıyan fotoğraf plakası üzerindeki etkidir.
İyonlaştırıcı etki, X ışınlarının etkisi altında elektriksel iletkenliğin artmasıyla kendini gösterir. Bu özellik kullanılıyor
Bu tür radyasyonun etkilerini ölçmek için dozimetride.
Birçok işlem sonucunda X-ışını radyasyonunun birincil ışını yasaya (29.3) uygun olarak zayıflatılır. şeklinde yazalım:
ben = ben 0 e-/", (31.8)
Nerede μ - doğrusal zayıflama katsayısı. Tutarlı saçılma μ κ, tutarsız μ ΗK ve fotoelektrik etki μ'ye karşılık gelen üç terimden oluşacak şekilde temsil edilebilir. F:
μ = μ k + μ hk + μ f. (31.9)
X-ışını radyasyonunun yoğunluğu, bu akının içinden geçtiği maddenin atom sayısıyla orantılı olarak zayıflar. Bir maddeyi eksen boyunca sıkıştırırsanız X,örneğin, içinde B kat kat artıyor B yoğunluğundan beri, o zaman
31.4. TIPTA X-IŞINI RADYASYONUNUN UYGULANMASININ FİZİKSEL ESASLARI
X ışınlarının en önemli tıbbi kullanımlarından biri teşhis amacıyla iç organları aydınlatmasıdır. (X-ışını teşhisi).
Teşhis için yaklaşık 60-120 keV enerjiye sahip fotonlar kullanılır. Bu enerjide kütle zayıflama katsayısı esas olarak fotoelektrik etki tarafından belirlenir. Değeri, sert radyasyonun daha büyük nüfuz etme gücünü gösteren foton enerjisinin üçüncü gücüyle (λ 3 ile orantılı) ters orantılıdır ve soğurucu maddenin atom numarasının üçüncü gücüyle orantılıdır:
X-ışını radyasyonunun farklı dokular tarafından emilmesindeki önemli fark, kişinin insan vücudunun iç organlarının görüntülerini gölge projeksiyonunda görmesine olanak tanır.
X-ışını teşhisi iki versiyonda kullanılır: floroskopi - görüntü bir X-ışını ışıldayan ekranda görüntülenir, radyografi - görüntü fotoğraf filmine kaydedilir.
İncelenen organ ve çevresindeki dokular X-ışını radyasyonunu yaklaşık olarak eşit derecede zayıflatıyorsa, özel kontrast maddeler kullanılır. Örneğin mideyi ve bağırsakları yulaf lapasına benzer bir baryum sülfat kütlesi ile doldurduğunuzda gölge görüntülerini görebilirsiniz.
Ekrandaki görüntünün parlaklığı ve filmin maruz kalma süresi, x-ışını radyasyonunun yoğunluğuna bağlıdır. Teşhis amacıyla kullanılıyorsa, istenmeyen biyolojik sonuçlara yol açmayacak şekilde yoğunluk yüksek olamaz. Bu nedenle düşük X-ışını yoğunluklarında görüntüyü iyileştiren çok sayıda teknik cihaz bulunmaktadır. Böyle bir cihazın bir örneği elektro-optik dönüştürücülerdir (bkz. 27.8). Popülasyonun toplu muayenesi sırasında, radyografinin bir çeşidi yaygın olarak kullanılır - büyük bir X-ışını ışıldayan ekranından gelen görüntünün hassas, küçük formatlı bir filme kaydedildiği florografi. Çekim yaparken yüksek diyafram açıklığına sahip bir lens kullanılır ve bitmiş görüntüler özel bir büyüteç kullanılarak incelenir.
Radyografi için ilginç ve umut verici bir seçenek, adı verilen bir yöntemdir. Röntgen tomografisi, ve “makine versiyonu” - CT tarama.
Bu soruyu ele alalım.
Tipik bir röntgen vücudun geniş bir alanını kaplar ve farklı organ ve dokular birbirini gizler. X-ışını tüpünü periyodik olarak antifazda birlikte hareket ettirirseniz (Şekil 31.11) bu önlenebilir. RT ve fotoğraf filmi FP nesneye göre Hakkında araştırma. Gövde, x-ışınlarını geçirmeyen bir takım kalıntılar içerir; bunlar şekilde daireler halinde gösterilmiştir. Görüldüğü gibi X-ışını tüpünün herhangi bir pozisyonundaki X-ışınları (1, 2 vb.) geçmek
Periyodik hareketin gerçekleştiği merkez olan nesnenin aynı noktasını kesmek RT Ve Fp. Bu nokta, daha doğrusu küçük, opak bir ekleme, koyu bir daire ile gösterilmiştir. Gölge görüntüsü onunla birlikte hareket ediyor FP, sıralı pozisyonları işgal etmek 1, 2 vesaire. Vücutta kalan kalıntılar (kemikler, sıkıştırmalar vb.) FP X-ışınları onlar tarafından sürekli olarak engellenmediğinden bazı genel bilgiler verilmektedir. Salınım merkezinin konumunu değiştirerek vücudun katman katman X-ışını görüntüsünü elde edebilirsiniz. Dolayısıyla adı - tomografi(katmanlı kayıt).
İnce bir X-ışını radyasyonu ışını kullanarak bir ekran (yerine) mümkündür. Fp),İyonlaştırıcı radyasyonun yarı iletken dedektörleri (bkz. 32.5) ve bir bilgisayardan oluşan, tomografi sırasında gölge X-ışını görüntüsünü işler. Tomografinin bu modern versiyonu (hesaplamalı veya bilgisayarlı röntgen tomografisi), bir katot ışın tüpü ekranında veya x-ışını emiliminde farkla 2 mm'den daha az ayrıntıya sahip kağıt üzerinde vücudun katman katman görüntülerini elde etmenize olanak tanır. %0,1'e kadar. Bu, örneğin beynin gri ve beyaz maddesini ayırt etmeyi ve çok küçük tümör oluşumlarını görmeyi sağlar.
1. X-ışını radyasyonunun kaynakları.
2. Bremsstrahlung X-ışını radyasyonu.
3. Karakteristik X-ışını radyasyonu. Moseley Yasası.
4. X-ışını radyasyonunun madde ile etkileşimi. Zayıflama kanunu.
5. X-ışınlarının tıpta kullanımının fiziksel temelleri.
6. Temel kavramlar ve formüller.
7. Görevler.
X-ışını radyasyonu - dalga boyu 100 ila 10-3 nm arasında olan elektromanyetik dalgalar. Elektromanyetik dalgalar ölçeğinde X-ışını radyasyonu, UV radyasyonu ile UV radyasyonu arasındaki bölgeyi kaplar. γ - radyasyon. X-ışınları (X-ışınları), 1895 yılında, 1901'de fizik alanında ilk Nobel ödüllü olan K. Roentgen tarafından keşfedildi.
32.1. X-ışını kaynakları
X-ışını radyasyonunun doğal kaynakları bazı radyoaktif izotoplardır (örneğin 55 Fe). Güçlü X-ışını radyasyonunun yapay kaynakları röntgen tüpleri(Şekil 32.1).
Pirinç. 32.1. X-ışını tüpü cihazı
X-ışını tüpü, iki elektrotlu, içi boşaltılmış bir cam şişedir: anot A ve katot K, aralarında yüksek voltaj U (1-500 kV) oluşturulur. Katot, elektrik akımıyla ısıtılan bir spiraldir. Isıtılmış bir katot (termiyonik emisyon) tarafından yayılan elektronlar, bir elektrik alanı tarafından hızlandırılır. büyük hızlarda (bu nedenle yüksek voltaja ihtiyaç duyulur) ve tüpün anotunun üzerine düşer. Bu elektronlar anot maddesiyle etkileşime girdiğinde iki tür X-ışını radyasyonu ortaya çıkar: frenleme Ve karakteristik.
Anodun çalışma yüzeyi, X-ışınlarının gerekli yönünü oluşturmak için elektron ışınının yönüne belirli bir açıda yerleştirilmiştir.
Elektronların kinetik enerjisinin yaklaşık %1'i X ışınlarına dönüşür. Enerjinin geri kalanı ısı olarak açığa çıkar. Bu nedenle anodun çalışma yüzeyi refrakter malzemeden yapılmıştır.
32.2. Bremsstrahlung X-ışınları
Belirli bir ortamda hareket eden elektron hızını kaybeder. Bu durumda negatif ivme meydana gelir. Maxwell'in teorisine göre herhangi bir hızlandırılmış Yüklü bir parçacığın hareketine elektromanyetik radyasyon eşlik eder. Anot maddesinde bir elektronun yavaşlaması sonucu oluşan radyasyona denir. Bremsstrahlung X-ışını radyasyonu.
Bremsstrahlung'un özellikleri aşağıdaki faktörler tarafından belirlenir.
1. Radyasyon, enerjileri formül (26.10) ile frekansla ilişkilendirilen bireysel kuantumlar tarafından yayılır.
ν frekanstır, λ dalga boyudur.
2. Anoda ulaşan tüm elektronlar aynısı Anot ve katot arasındaki elektrik alanının çalışmasına eşit kinetik enerji:
burada e elektron yüküdür, U ise hızlanan voltajdır.
3. Elektronun kinetik enerjisi kısmen maddeye aktarılır ve onu ısıtmaya (Q) gider ve kısmen bir x-ışını kuantumu oluşturmak için harcanır:
4. Q ve hv arasındaki ilişki kazara.
Son özellik (4) nedeniyle üretilen kuantum çeşitli elektronlar var çeşitli frekanslar ve dalga boyları. Bu nedenle, X-ışını bremsstrahlung'un spektrumu sürekli. Tipik görünüm spektral yoğunluk X-ışını akısı (Φ λ = άΦ/άλ) Şekil 2'de gösterilmektedir. 32.2.
Pirinç. 32.2. Bremsstrahlung X-ışını spektrumu
Uzun dalga tarafında spektrum, X-ışını radyasyonunun sınırı olan 100 nm dalga boyuyla sınırlıdır. Kısa dalga tarafında spektrum, dalga boyu λ min ile sınırlıdır. Formül (32.2)'ye göre minimum dalga boyu Q = 0 durumuna karşılık gelir (elektronun kinetik enerjisi tamamen kuantum enerjisine dönüştürülür):
Hesaplamalar, Bremsstrahlung X-ışınlarının akısının (Φ), aralarındaki U voltajının karesiyle doğru orantılı olduğunu göstermektedir.
anot ve katot, tüpteki akım gücü I ve anot maddesinin atom numarası Z:
Farklı voltajlarda, farklı katot sıcaklıklarında ve farklı anot maddelerinde Bremsstrahlung X-ışını spektrumları Şekil 1'de gösterilmektedir. 32.3.
Pirinç. 32.3. Bremsstrahlung X-ışını spektrumu (Φ λ):
a - tüpteki farklı voltajlarda U; b - farklı sıcaklıklarda T
katot; c - Z parametresinde farklılık gösteren farklı anot maddeleri için
Anot voltajı arttıkça değer λmin daha kısa dalga boylarına doğru kayar. Aynı zamanda spektral eğrinin yüksekliği de artar (Şekil 32.3, A).
Katot sıcaklığı arttıkça elektron emisyonu artar. Buna göre tüpteki I akımı artar. Spektral eğrinin yüksekliği artar, ancak radyasyonun spektral bileşimi değişmez (Şekil 32.3, b).
Anot malzemesi değiştiğinde, spektral eğrinin yüksekliği atom numarası Z ile orantılı olarak değişir (Şekil 32.3, c).
32.3. Karakteristik X-ışını radyasyonu. Moseley Yasası
Katot elektronları anot atomları ile Bremsstrahlung X-ışınları ile etkileşime girdiğinde, spektrumu aşağıdakilerden oluşan X-ışınları üretilir: ayrı çizgiler. Bu radyasyon
aşağıdaki kökene sahiptir. Bazı katot elektronları atomun derinliklerine nüfuz eder ve elektronları dışarı atar. iç kabuklar. Bu durumda oluşan boşluklar elektronlarla doldurulur. üst radyasyon kuantasının yayıldığı kabuklar. Bu radyasyon, anot malzemesi tarafından belirlenen ayrı bir frekans seti içerir ve denir. karakteristik radyasyon. X-ışını tüpünün tam spektrumu, karakteristik spektrumun bremsstrahlung spektrumu üzerindeki bir süperpozisyonudur (Şekil 32.4).
Pirinç. 32.4. X-ışını tüpü radyasyon spektrumu
Karakteristik X-ışını spektrumlarının varlığı, X-ışını tüpleri kullanılarak keşfedildi. Daha sonra bu tür spektrumların kimyasal elementlerin iç yörüngelerinin herhangi bir iyonlaşmasından kaynaklandığı bulundu. Çeşitli kimyasal elementlerin karakteristik spektrumlarını inceleyen G. Moseley (1913), kendi adını taşıyan aşağıdaki yasayı oluşturdu.
Karakteristik radyasyon frekansının karekökü, elemanın seri numarasının doğrusal bir fonksiyonudur:
burada ν spektral çizginin frekansıdır, Z yayan elemanın atom numarasıdır, A, B sabitlerdir.
Moseley yasası, karakteristik radyasyonun gözlemlenen spektrumundan bir kimyasal elementin atom numarasını belirlemenizi sağlar. Bu, elementlerin periyodik tabloya yerleştirilmesinde büyük rol oynadı.
32.4. X-ışını radyasyonunun madde ile etkileşimi. Zayıflama Yasası
X ışınlarının maddeyle iki ana etkileşim türü vardır: saçılma ve fotoelektrik etki. Saçılma sırasında fotonun hareket yönü değişir. Fotoelektrik olayda bir foton emilir.
1. Tutarlı (elastik) saçılma X-ışını fotonunun enerjisi atomun iç iyonizasyonu için yetersiz olduğunda meydana gelir (bir elektronun iç kabuklardan birinden çıkarılması). Bu durumda fotonun hareket yönü değişir ancak enerjisi ve dalga boyu değişmez (bu nedenle bu saçılmaya saçılma denir). elastik).
2. Tutarsız (Compton) saçılma foton enerjisi iç iyonlaşma enerjisinden A ve çok daha büyük olduğunda meydana gelir: hv >> A ve.
Bu durumda elektron atomdan ayrılır ve belirli bir kinetik enerji E k kazanır.Compton saçılması sırasında fotonun hareket yönü değişir ve enerjisi azalır:
Compton saçılması, bir maddenin atomlarının iyonlaşmasıyla ilişkilidir.
3. Fotoğraf efekti foton enerjisi hv atomu iyonize etmeye yeterli olduğunda meydana gelir: hv > A u. Aynı zamanda X-ışını kuantumu absorbe ve enerjisi atomu iyonize etmek ve fırlatılan elektrona kinetik enerji kazandırmak için harcanır E k = hv - A I.
Compton saçılması ve fotoelektrik etkiye karakteristik X-ışını radyasyonu eşlik eder, çünkü iç elektronlar devre dışı bırakıldıktan sonra boş pozisyonlar dış kabuklardan gelen elektronlarla doldurulur.
X-ışını lüminesansı. Bazı maddelerde, Compton saçılımının elektronları ve kuantumlarının yanı sıra fotoelektrik etki elektronları, moleküllerin uyarılmasına neden olur ve buna temel duruma ışınımsal geçişler eşlik eder. Bu, x-ışını lüminesansı adı verilen bir parıltı üretir. Baryum platin oksidin lüminesansı, Roentgen'in X ışınlarını keşfetmesine olanak sağladı.
Zayıflama Yasası
X-ışınlarının saçılması ve fotoelektrik etki, X-ışını radyasyonu daha derine nüfuz ettikçe birincil radyasyon ışınının zayıflamasına neden olur (Şekil 32.5). Zayıflama üsteldir:
μ değeri soğurucu malzemeye ve emisyon spektrumuna bağlıdır. Zayıflamanın bir özelliği olarak pratik hesaplamalar için
Pirinç. 32.5. Gelen ışınlar yönünde X-ışını akısının zayıflaması
Nerede λ
- dalga boyu; Z, elementin atom numarasıdır; k bir sabittir.
32.5. Kullanımın fiziksel temeli
Tıpta X-ışını radyasyonu
Tıpta X-ışını radyasyonu teşhis ve tedavi amaçlı kullanılır.
X-ışını teşhisi- X-ışınları kullanılarak iç organların görüntülerini elde etme yöntemleri.
Bu yöntemlerin fiziksel temeli, X-ışını radyasyonunun maddede zayıflaması yasasıdır (32.10). Geçtikten sonra kesit boyunca tekdüze X-ışını akısı heterojen doku heterojen hale gelecektir. Bu heterojenlik fotoğraf filmi, floresan ekran veya matris fotodetektör kullanılarak kaydedilebilir. Örneğin, kemik dokusunun - Ca3 (PO 4) 2 - ve yumuşak dokuların - esas olarak H 2 O - kütle zayıflama katsayıları 68 kat farklılık gösterir (μ m kemik / μ m su = 68). Kemik yoğunluğu da yumuşak doku yoğunluğundan daha yüksektir. Bu nedenle, bir röntgen, yumuşak dokunun daha koyu bir arka planına karşı açık renkli bir kemik görüntüsü üretir.
İncelenen organ ve çevresindeki dokular benzer zayıflama katsayılarına sahipse, o zaman özel kontrast maddeleri.Örneğin, midenin floroskopisi sırasında denek, kütle zayıflama katsayısı yumuşak dokularınkinden 354 kat daha fazla olan yulaf lapasına benzer bir baryum sülfat (BaSO 4) kütlesi alır.
Teşhis için 60-120 keV foton enerjisine sahip X-ışını radyasyonu kullanılır. Tıbbi uygulamada aşağıdaki X-ışını teşhis yöntemleri kullanılmaktadır.
1. Röntgen. Görüntü floresan bir ekranda oluşturulur. Görüntü parlaklığı düşüktür ve yalnızca karanlık bir odada izlenebilmektedir. Doktorun radyasyondan korunması gerekir.
Floroskopinin avantajı gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmesidir. Dezavantajı ise hasta ve doktorun yüksek radyasyona maruz kalmasıdır (diğer yöntemlere göre).
Floroskopinin modern versiyonu - X-ışını televizyonu - X-ışını görüntü yoğunlaştırıcılarını kullanır. Amplifikatör, X-ışını ekranının zayıf parlaklığını algılar, güçlendirir ve TV ekranına iletir. Sonuç olarak doktorun radyasyona maruz kalması keskin bir şekilde azaldı, görüntünün parlaklığı arttı ve muayene sonuçlarının videoya kaydedilmesi mümkün hale geldi.
2. Radyografi. Görüntü, X-ışını radyasyonuna duyarlı özel bir film üzerinde oluşturulur. Resimler karşılıklı olarak iki dikey projeksiyonla (ön ve yan) çekilir. Fotoğraf işlendikten sonra görüntü görünür hale gelir. Bitmiş kurutulmuş fotoğraf, iletilen ışıkta incelenir.
Aynı zamanda, kontrastları% 1-2 farklılık gösteren ayrıntılar tatmin edici bir şekilde görülebiliyor.
Bazı durumlarda muayeneden önce hastaya özel bir ilaç verilir. kontrast maddesi.Örneğin, böbreklerin ve idrar yollarının incelenmesi için iyot içeren bir çözelti (intravenöz olarak).
Radyografinin avantajları yüksek çözünürlük, kısa maruz kalma süresi ve doktor için neredeyse tam güvenliktir. Dezavantajları arasında görüntünün statik yapısı yer alır (nesne dinamik olarak izlenemez).
3. Florografi. Bu inceleme sırasında ekranda elde edilen görüntünün hassas küçük formatlı film üzerine fotoğrafı çekilir. Florografi, popülasyonun toplu taranmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Florogramda patolojik değişiklikler bulunursa hastaya daha ayrıntılı bir muayene yapılır.
4. Elektroradyografi. Bu tür muayene, görüntünün kaydedilme şekli açısından geleneksel radyografiden farklıdır. Film yerine kullanıyorlar selenyum plakası, X-ışınları tarafından elektriklendirilir. Sonuç, görünür hale getirilebilen ve kağıda aktarılabilen, elektrik yüklerinin gizli bir görüntüsüdür.
5. Anjiyografi. Bu yöntem kan damarlarını incelemek için kullanılır. Bir kateter yoluyla damar içine bir kontrast madde enjekte edilir, ardından güçlü bir röntgen makinesi saniyenin kesirleri içinde birbirini takip eden bir dizi görüntü çeker. Şekil 32.6 karotid arterin anjiyogramını göstermektedir.
6. Röntgen bilgisayarlı tomografi. Bu tür röntgen muayenesi, vücudun birkaç mm kalınlığında düz bir bölümünün görüntüsünü elde etmenizi sağlar. Bu durumda, belirli bir bölüm farklı açılardan tekrar tekrar taranır ve her bir görüntü bilgisayar belleğine kaydedilir. Daha sonra
Pirinç. 32.6. Anjiyografide şah damarında daralma görülüyor
Pirinç. 32.7. Taramalı tomografi şeması (a); Başın göz seviyesindeki tomografisi (b).
sonucu taranan katmanın bir görüntüsü olan bilgisayar yeniden yapılandırması gerçekleştirilir (Şekil 32.7).
Bilgisayarlı tomografi, aralarında %1'e kadar yoğunluk farkı olan elemanların ayırt edilmesini sağlar. Geleneksel radyografi, bitişik alanlar arasında %10-20'lik minimum yoğunluk farkını tespit etmeye olanak tanır.
Röntgen tedavisi - Kötü huylu tümörleri yok etmek için röntgen ışınlarının kullanılması.
Radyasyonun biyolojik etkisi özellikle hızla çoğalan hücrelerin yaşamsal aktivitesini bozmaktır. Çok sert X-ışınları (foton enerjileri yaklaşık 10 MeV olan) vücudun derinliklerindeki kanser hücrelerini yok etmek için kullanılır. Çevredeki sağlıklı dokuya verilen zararı azaltmak için ışın hastanın etrafında döner, böylece her zaman yalnızca hasarlı bölge etki altında kalır.
32.6. Temel kavramlar ve formüller
Tablonun devamı
Tablonun sonu
32.7. Görevler
1. Tıbbi X-ışını tüplerindeki bir elektron demeti neden antikatodun bir noktasına çarpıyor ve geniş bir ışın demeti üzerine düşmüyor?
Cevap: Ekranda yarı aydınlatılmış nesnelerin keskin hatlarını veren bir nokta X-ışını kaynağı elde etmek için.
2. U 1 = 2 kV ve U 2 = 20 kV gerilimleri için X-ışını bremsstrahlung sınırını (frekans ve dalga boyu) bulun.
4.
Kurşun kalkanlar X-ışını radyasyonuna karşı korunmak için kullanılır. Kurşundaki X-ışını radyasyonunun doğrusal soğurma katsayısı 52 cm -1'dir. X-ışını yoğunluğunu 30 kat azaltmak için kurşun koruyucu tabaka ne kadar kalın olmalıdır?
5.
U = 50 kV, I = 1 mA'da X-ışını tüpünün radyasyon akısını bulun. Anot tungstenden yapılmıştır (Z = 74). Borunun verimliliğini bulunuz.
6.
Yumuşak dokuların X-ışını teşhisi için kontrast maddeler kullanılır. Örneğin mide ve bağırsaklar bir miktar baryum sülfat (BaSO 4) ile doldurulur. Baryum sülfat ve yumuşak dokunun (su) kütle zayıflama katsayılarını karşılaştırın.
7. X-ışını kurulumunun ekranında daha yoğun bir gölgeye ne sebep olur: alüminyum (Z = 13, ρ = 2,7 g/cm3) veya aynı bakır katmanı (Z = 29, ρ = 8,9 g/cm3)?
8.
Eğer katmanlar X-ışını radyasyonunu eşit şekilde zayıflatıyorsa, alüminyum katmanın kalınlığı bakır katmanın kalınlığından kaç kat daha fazladır?
Atom olaylarının incelenmesinde ve pratik kullanımında X-ışınları en önemli rollerden birini oynar. Araştırmaları sayesinde birçok keşif yapıldı ve çeşitli alanlarda kullanılan maddelerin analizine yönelik yöntemler geliştirildi. Burada X-ışınlarının bir tipine, karakteristik X-ışınlarına bakacağız.
X-ışınlarının doğası ve özellikleri
X-ışını radyasyonu, uzayda yaklaşık 300.000 km/s hızla yayılan, elektromanyetik dalgalar olan, elektromanyetik alanın durumundaki yüksek frekanslı bir değişikliktir. Elektromanyetik radyasyon aralığı ölçeğinde, x-ışınları, yaklaşık 10-8 ila 5∙10-12 metre arasındaki dalga boyu bölgesinde bulunur; bu, optik dalgalardan birkaç kat daha kısadır. Bu, 3∙10 16 ila 6∙10 19 Hz arasındaki frekanslara ve 10 eV ila 250 keV veya 1,6∙10 -18 ila 4∙10 -14 J arasındaki enerjilere karşılık gelir. Frekans aralıklarının sınırlarının şu şekilde olduğu belirtilmelidir: elektromanyetik radyasyon, örtüşmelerinden dolayı oldukça keyfidir.
Hızlandırılmış yüklü parçacıkların (yüksek enerjili elektronlar) elektrik ve manyetik alanlarla ve maddenin atomlarıyla etkileşimidir.
X-ışını fotonları, özellikle dalga boyları 1 nanometreden (10-9 m) daha düşük olan sert X-ışınları için, yüksek enerjiler ve yüksek nüfuz etme ve iyonlaştırma güçleri ile karakterize edilir.
X ışınları, fotoelektrik etki (fotoabsorpsiyon) ve tutarsız (Compton) saçılma süreçlerinde madde ile etkileşime girerek atomlarını iyonize eder. Fotoabsorbsiyonda, bir atomun elektronu tarafından absorbe edilen bir X-ışını fotonu, ona enerji aktarır. Değeri atomdaki elektronun bağlanma enerjisini aşarsa atomdan ayrılır. Compton saçılması daha sert (enerjik) X-ışını fotonlarının karakteristiğidir. Emilen fotonun enerjisinin bir kısmı iyonizasyona harcanır; bu durumda, birincil fotonun yönüne belirli bir açıyla, daha düşük frekanslı bir ikincil foton yayılır.
X-ışını radyasyonunun türleri. Bremsstrahlung
Kiriş üretmek için, içinde elektrot bulunan cam vakum silindirleri kullanılır. Elektrotlar arasındaki potansiyel farkının yüzlerce kilovolta kadar çok yüksek olması gerekir. Akımla ısıtılan tungsten katotta termiyonik emisyon meydana gelir, yani potansiyel farkla hızlanan anodu bombalayan elektronlar ondan yayılır. Anotun atomlarıyla (bazen antikatot olarak da adlandırılır) etkileşimleri sonucunda X-ışını fotonları doğar.
Hangi sürecin bir fotonun oluşmasına yol açtığına bağlı olarak, X-ışını radyasyonu türleri ayırt edilir: Bremsstrahlung ve karakteristik.
Elektronlar anotla karşılaştıklarında yavaşlayabilir, yani atomlarının elektrik alanlarında enerji kaybedebilirler. Bu enerji X-ışını fotonları şeklinde yayılır. Bu tür radyasyona bremsstrahlung denir.
Frenleme koşullarının bireysel elektronlar için farklı olacağı açıktır. Bu, kinetik enerjilerinin farklı miktarlarının x-ışınlarına dönüştüğü anlamına gelir. Sonuç olarak bremsstrahlung, farklı frekanslardaki ve buna bağlı olarak dalga boylarındaki fotonları içerir. Bu nedenle spektrumu süreklidir (sürekli). Bazen bu nedenle “beyaz” X-ışınları olarak da adlandırılır.
Bir Bremsstrahlung fotonun enerjisi, onu üreten elektronun kinetik enerjisini aşamaz, dolayısıyla Bremsstrahlung radyasyonunun maksimum frekansı (ve en kısa dalga boyu), anot üzerine gelen elektronların kinetik enerjisinin en yüksek değerine karşılık gelir. İkincisi elektrotlara uygulanan potansiyel farkına bağlıdır.
Kaynağı farklı bir süreç olan başka bir tür X-ışını radyasyonu vardır. Bu radyasyona karakteristik radyasyon denir ve üzerinde daha detaylı duracağız.
Karakteristik X-ışını radyasyonu nasıl ortaya çıkar?
Anti-katoda ulaşan hızlı bir elektron, atomun içine nüfuz edebilir ve alt yörüngelerden birinden bir elektronu çıkarabilir, yani potansiyel bariyeri aşmak için yeterli enerjiyi ona aktarabilir. Ancak elektronların bulunduğu atomda daha yüksek enerji seviyeleri varsa boşalan alan boş kalmayacaktır.
Her enerji sistemi gibi atomun elektronik yapısının da enerjiyi en aza indirme eğiliminde olduğu unutulmamalıdır. Nakavt sonucu oluşan boşluk, daha yüksek seviyelerden birinden gelen bir elektronla doldurulur. Enerjisi daha yüksektir ve daha düşük bir seviyeyi işgal ederek fazlalığı karakteristik bir x-ışını radyasyonu kuantumu şeklinde yayar.
Bir atomun elektronik yapısı, elektronların olası enerji durumlarının ayrı bir kümesidir. Bu nedenle, elektron boşluklarının değiştirilmesi sırasında yayılan X-ışını fotonları da yalnızca kesin olarak tanımlanmış enerji değerlerine sahip olabilir ve bu da düzey farkını yansıtır. Sonuç olarak, karakteristik X-ışını radyasyonu sürekli olmayan ancak çizgi şeklinde bir spektruma sahiptir. Bu spektrum, anotun maddesini karakterize etmeyi mümkün kılar; dolayısıyla bu ışınların adı da buradan gelir. Bremsstrahlung ve karakteristik X-ışını radyasyonunun ne anlama geldiği, spektral farklılıklar sayesinde açıktır.
Bazen fazla enerji atom tarafından yayılmaz, ancak üçüncü elektronu yok etmek için harcanır. Auger etkisi olarak adlandırılan bu sürecin, elektron bağlanma enerjisi 1 keV'yi aşmadığında ortaya çıkma olasılığı daha yüksektir. Serbest bırakılan Auger elektronunun enerjisi, atomun enerji seviyelerinin yapısına bağlıdır, dolayısıyla bu tür elektronların spektrumları da doğası gereği ayrıktır.
Karakteristik spektrumun genel görünümü
X-ışını spektral resminde sürekli bir Bremsstrahlung spektrumu ile birlikte dar karakteristik çizgiler mevcuttur. Spektrumu yoğunluk-dalga boyu (frekans) grafiği olarak hayal edersek, çizgilerin yerlerinde keskin tepe noktaları görürüz. Konumları anot malzemesine bağlıdır. Bu maksimumlar herhangi bir potansiyel farkta mevcuttur; eğer X-ışınları varsa, her zaman zirveler de vardır. Tüp elektrotları üzerindeki voltaj arttıkça hem sürekli hem de karakteristik X-ışını radyasyonunun yoğunluğu artar, ancak tepe noktalarının konumu ve yoğunluklarının oranı değişmez.
X-ışını spektrumundaki tepe noktaları, elektronlar tarafından ışınlanan antikatodun materyalinden bağımsız olarak aynı görünüme sahiptir, ancak farklı materyaller için farklı frekanslarda konumlandırılırlar ve frekans değerlerinin yakınlığına bağlı olarak seri halinde birleşirler. Serilerin kendi aralarında frekans farkı çok daha belirgindir. Maksimumun türü hiçbir şekilde anot malzemesinin saf bir kimyasal element mi yoksa karmaşık bir madde mi olduğuna bağlı değildir. İkinci durumda, kendisini oluşturan elemanların karakteristik X-ışını spektrumları basitçe üst üste bindirilir.
Bir kimyasal elementin atom numarası arttıkça X-ışını spektrumunun tüm çizgileri daha yüksek frekanslara doğru kayar. Spektrum görünümünü korur.
Moseley Yasası
Karakteristik çizgilerin spektral kayması olgusu, 1913'te İngiliz fizikçi Henry Moseley tarafından deneysel olarak keşfedildi. Bu onun maksimum spektrum frekanslarını kimyasal elementlerin seri numaralarıyla birleştirmesine olanak sağladı. Böylece, ortaya çıktığı gibi, karakteristik X-ışını radyasyonunun dalga boyu, belirli bir elementle açıkça ilişkilendirilebilir. Genel olarak Moseley yasası şu şekilde yazılabilir: √f = (Z - S n)/n√R, burada f frekans, Z elemanın seri numarası, S n perdeleme sabiti, n ise baş kuantum sayısı ve R, Rydberg sabitidir. Bu bağımlılık doğrusaldır ve Moseley diyagramında her n değeri için bir dizi düz çizgi gibi görünür.
N değerleri, bireysel karakteristik X-ışını emisyon zirveleri serisine karşılık gelir. Moseley yasası, X-ışını spektrumunun maksimumlarının ölçülen dalga boylarına (bunlar benzersiz bir şekilde frekanslarla ilişkilidir) dayanarak sert elektronlar tarafından ışınlanan bir kimyasal elementin seri numarasını belirlemeyi mümkün kılar.
Kimyasal elementlerin elektronik kabuklarının yapısı aynıdır. Bu, X-ışını radyasyonunun karakteristik spektrumundaki kayma değişiminin monotonluğu ile gösterilir. Frekans kayması yapısal değil, her bir elemente özgü olan elektron kabukları arasındaki enerji farklılıklarını yansıtır.
Moseley yasasının atom fiziğindeki rolü
Moseley yasasıyla ifade edilen katı doğrusal ilişkiden küçük sapmalar vardır. Bunlar, ilk olarak, bazı elementlerin elektron kabuklarını doldurma sırasının özellikleriyle ve ikinci olarak, ağır atomların elektronlarının hareketinin göreceli etkileriyle ilişkilidir. Ayrıca çekirdekteki nötron sayısı değiştiğinde (izotopik kayma denir) çizgilerin konumu biraz değişebilir. Bu etki atomun yapısını detaylı olarak incelemeyi mümkün kıldı.
Moseley yasasının önemi son derece büyüktür. Mendeleev'in periyodik sisteminin elemanlarına tutarlı bir şekilde uygulanması, karakteristik maksimumlardaki her küçük kaymaya karşılık gelen sıra sayısını artıran bir model oluşturdu. Bu, elementlerin sıralı sayısının fiziksel anlamı sorusunun açıklığa kavuşturulmasına yardımcı oldu. Z değeri sadece bir sayı değildir: çekirdeğin pozitif elektrik yüküdür; bu, bileşimini oluşturan parçacıkların birim pozitif yüklerinin toplamıdır. Öğelerin tabloya doğru yerleştirilmesi ve içinde boş konumların varlığı (o zamanlar hala mevcuttu) güçlü bir onay aldı. Periyodik kanunun geçerliliği kanıtlandı.
Ek olarak Moseley yasası, tüm deneysel araştırma yönünün - X-ışını spektrometrisinin - ortaya çıktığı temel haline geldi.
Bir atomun elektron kabuklarının yapısı
Elektron yapısının nasıl yapıldığını kısaca hatırlayalım: K, L, M, N, O, P, Q harfleri veya 1'den 7'ye kadar rakamlarla gösterilen kabuklardan oluşur. Kabuk içindeki elektronlar aynı temel kuantum ile karakterize edilir. Olası enerji değerlerini belirleyen n sayısı. Dış kabuklarda elektron enerjisi daha yüksektir ve dış elektronların iyonlaşma potansiyeli buna bağlı olarak daha düşüktür.
Kabuk bir veya daha fazla alt seviye içerir: s, p, d, f, g, h, i. Her kabukta alt düzey sayısı bir öncekine göre bir artar. Her alt seviyedeki ve her kabuktaki elektron sayısı belirli bir değeri aşamaz. Ana kuantum sayısına ek olarak, şekli belirleyen yörünge elektron bulutunun aynı değeri ile karakterize edilirler. Alt düzeyler ait oldukları kabuk tarafından belirlenir; örneğin 2s, 4d vb.
Alt seviye, ana ve yörüngesel olanlara ek olarak, elektronun yörüngesel momentumunun manyetik alanın yönüne projeksiyonunu belirleyen başka bir kuantum sayısı - manyetik ile belirtilenleri içerir. Bir yörünge, dördüncü kuantum sayısı olan spinin değerinde farklılık gösteren ikiden fazla elektrona sahip olamaz.
Karakteristik X-ışını radyasyonunun nasıl ortaya çıktığını daha ayrıntılı olarak ele alalım. Bu tür elektromanyetik emisyonun kökeni atomun içinde meydana gelen olaylarla ilişkili olduğundan, onu tam olarak elektronik konfigürasyonların yaklaşımıyla tanımlamak en uygunudur.
Karakteristik X-ışını radyasyonu üretme mekanizması
Dolayısıyla bu radyasyonun nedeni, yüksek enerjili elektronların atomun derinliklerine nüfuz etmesinden kaynaklanan iç kabuklarda elektron boşluklarının oluşmasıdır. Sert bir elektronun etkileşime girme olasılığı, elektron bulutlarının yoğunluğu arttıkça artar. Bu nedenle çarpışmaların en alttaki K kabuğu gibi sıkı bir şekilde paketlenmiş iç kabuklarda meydana gelmesi muhtemeldir. Burada atom iyonize olur ve 1s kabuğunda bir boşluk oluşur.
Bu boşluk kabuktaki daha yüksek enerjiye sahip bir elektron tarafından doldurulur ve bunun fazlası X-ışını fotonu tarafından taşınır. Bu elektron ikinci L kabuğundan, üçüncü M kabuğundan vb. “düşebilir”. Bu örnekte K serisi gibi karakteristik bir seri bu şekilde oluşturulur. Boşluğu dolduran elektronun nereden geldiğine dair bir gösterge, seri tanımlamasında Yunan indeksi şeklinde verilmiştir. "Alfa" L kabuğundan geldiğini, "beta" ise M kabuğundan geldiğini ifade eder. Şu anda, Yunan harf indekslerini, kabukları belirlemek için benimsenen Latin harf indeksleriyle değiştirme eğilimi var.
Serideki alfa çizgisinin yoğunluğu her zaman en yüksektir; bu, komşu kabuktaki boşluğu doldurma olasılığının en yüksek olduğu anlamına gelir.
Artık karakteristik X-ışını radyasyonunun bir kuantumunun maksimum enerjisinin ne olduğu sorusunu cevaplayabiliriz. E = E n 2 - E n 1 formülüne göre, elektron geçişinin gerçekleştiği seviyelerin enerji değerleri arasındaki farkla belirlenir; burada E n 2 ve E n 1, elektronik devrenin enerjileridir. geçişin gerçekleştiği durumlar. Bu parametrenin en yüksek değeri, ağır elementlerin atomlarının en yüksek seviyelerinden K serisi geçişlerle verilir. Ancak bu çizgilerin yoğunluğu (zirvelerin yüksekliği) en düşük seviyededir çünkü bunlar en az olasıdır.
Elektrotlardaki voltajın yetersiz olması nedeniyle sert bir elektron K seviyesine ulaşamazsa, L seviyesinde bir boşluk oluşur ve daha uzun dalga boylarına sahip, daha az enerjili bir L serisi oluşur. Sonraki diziler de benzer şekilde doğar.
Ayrıca elektronik geçiş sonucunda bir boşluk dolduğunda, üstteki kabukta yeni bir boşluk ortaya çıkar. Bu, bir sonraki serinin oluşturulması için koşulları yaratır. Elektron boşlukları seviyeden seviyeye yükselir ve atom, iyonize halde kalırken bir dizi karakteristik spektral dizi yayar.
Karakteristik spektrumların ince yapısı
Karakteristik X-ışını radyasyonunun atomik X-ışını spektrumları, optik spektrumlarda olduğu gibi çizgi bölünmesiyle ifade edilen ince bir yapı ile karakterize edilir.
İnce yapı, enerji seviyesinin (elektron kabuğunun) birbirine yakın yerleştirilmiş bileşenlerden (alt kabuklardan) oluşmasından kaynaklanmaktadır. Alt kabukları karakterize etmek için, elektronun kendi ve yörünge manyetik momentlerinin etkileşimini yansıtan başka bir iç kuantum numarası j eklenir.
Dönme-yörünge etkileşiminin etkisiyle atomun enerji yapısı daha karmaşık hale gelir ve bunun sonucunda karakteristik X-ışını radyasyonu, çok yakın aralıklı elemanlara sahip bölünmüş çizgilerle karakterize edilen bir spektruma sahip olur.
İnce yapı elemanları genellikle ek dijital endekslerle gösterilir.
Karakteristik X-ışını radyasyonu, yalnızca spektrumun ince yapısında yansıtılan bir özelliğe sahiptir. Bir elektronun daha düşük bir enerji seviyesine geçişi, daha yüksek bir seviyenin alt alt kabuğundan gerçekleşmez. Böyle bir olayın ihmal edilebilir bir olasılığı vardır.
Spektrometride X ışınlarının kullanımı
Bu radyasyon, Moseley yasasında tanımlanan özellikleri nedeniyle, maddelerin analizi için çeşitli X-ışını spektral yöntemlerinin temelini oluşturur. X-ışını spektrumunu analiz ederken, ya radyasyonun kristaller üzerindeki kırınımı (dalga dağıtma yöntemi) ya da emilen X-ışını fotonlarının enerjisine duyarlı dedektörler (enerji dağıtma yöntemi) kullanılır. Çoğu elektron mikroskobu bir çeşit X-ışını spektrometresi eklentisiyle donatılmıştır.
Dalga dağıtıcı spektrometri özellikle doğrudur. Özel filtreler kullanılarak spektrumdaki en yoğun tepe noktaları vurgulanır ve kesin olarak bilinen bir frekansa sahip neredeyse tek renkli radyasyonun elde edilmesi mümkün olur. İstenilen frekansta monokromatik bir ışın elde edilmesini sağlamak için anot malzemesi çok dikkatli seçilir. İncelenen maddenin kristal kafesi üzerindeki kırınımı, kafes yapısının büyük bir doğrulukla incelenmesine olanak tanır. Bu yöntem aynı zamanda DNA ve diğer karmaşık moleküllerin incelenmesinde de kullanılır.
Karakteristik X-ışını radyasyonunun özelliklerinden biri de gama spektrometrisinde dikkate alınır. Bu yüksek yoğunluklu karakteristik bir zirvedir. Gama spektrometreleri, ölçümlere müdahale eden dış arka plan radyasyonuna karşı kurşun koruma kullanır. Ancak gama ışınlarını emen kurşun, dahili iyonlaşmayı deneyimler ve bunun sonucunda X-ışını aralığında aktif olarak yayılır. Kurşunun karakteristik X-ışını radyasyonunun yoğun tepe noktalarını absorbe etmek için ek kadmiyum koruması kullanılır. Bu da iyonize olur ve ayrıca X ışınları yayar. Kadmiyumun karakteristik tepe noktalarını nötralize etmek için üçüncü bir koruyucu katman kullanılır - X-ışını maksimumları gama spektrometresinin çalışma frekans aralığının dışında kalan bakır.
Spektrometri hem Bremsstrahlung'u hem de karakteristik X ışınlarını kullanır. Bu nedenle, maddeleri analiz ederken, sürekli X ışınlarının çeşitli maddeler tarafından absorpsiyon spektrumları incelenir.
1. Bremsstrahlung ve karakteristik X-ışını radyasyonu,
ana özellikler ve özellikler.
Floresan ekranın parlamasını ilk kez 1895 yılında Alman bilim adamı Roentgen keşfetti; bu parıltı, katodun karşısında bulunan gaz deşarj tüpünün cam kısmından gelen, gözle görülmeyen radyasyondan kaynaklanıyordu. Bu tür radyasyon, görünür ışığa nüfuz edemeyen maddelerden geçme yeteneğine sahipti. Roentgen bunlara X-ışınları adını verdi ve bunların tıp da dahil olmak üzere çeşitli bilim ve teknoloji dallarında kullanılmasına olanak sağlayan temel özellikleri belirledi.
X-ışını radyasyonu, dalga boyu 80-10-5 nm olan radyasyondur. Uzun dalga X-ışını radyasyonu, kısa dalga UV radyasyonuyla örtüşür, kısa dalga radyasyonu, uzun dalga g-radyasyonuyla örtüşür. Tıpta, 10 ila 0,005 nm dalga boyuna sahip X-ışını radyasyonu kullanılır; bu, 10 2 EV ila 0,5 MeV arasındaki bir foton enerjisine karşılık gelir. X-ışını radyasyonu gözle görülmez, bu nedenle onunla yapılan tüm gözlemler, x-ışını lüminesansına neden olduğundan ve fotokimyasal bir etkiye sahip olduğundan, floresan ekranlar veya fotoğraf filmleri kullanılarak yapılır. Optik radyasyona karşı dayanıklı olan cisimlerin çoğunun, elektromanyetik dalgalarla ortak özelliklere sahip olan x-ışını radyasyonuna karşı büyük ölçüde şeffaf olması karakteristiktir. Ancak dalga boyunun kısa olması nedeniyle bazı özelliklerin tespit edilmesi zordur. Bu nedenle radyasyonun dalga doğası keşfedilmesinden çok daha sonra belirlendi.
Uyarma yöntemine bağlı olarak, X-ışını radyasyonu bremsstrahlung ve karakteristik radyasyona ayrılır.
Bremsstrahlung X-ışınları, hızlı hareket eden elektronların içinden geçtikleri maddenin atomunun (çekirdek ve elektronlar) elektrik alanı tarafından yavaşlatılmasından kaynaklanır. Bu radyasyonun mekanizması, herhangi bir hareketli yükün, çevresinde indüksiyonu (B) elektronun hızına bağlı olan bir manyetik alanın oluşturulduğu bir akımı temsil etmesiyle açıklanabilir. Fren yaparken manyetik indüksiyon azalır ve Maxwell teorisine göre bir elektromanyetik dalga ortaya çıkar.
Elektronlar yavaşlatıldığında, enerjinin yalnızca bir kısmı bir x-ışını fotonu oluşturmak için kullanılır, diğer kısmı anodu ısıtmak için harcanır. Fotonun frekansı (dalga boyu), elektronun başlangıçtaki kinetik enerjisine ve yavaşlamasının yoğunluğuna bağlıdır. Üstelik, başlangıçtaki kinetik enerji aynı olsa bile, maddedeki yavaşlama koşulları farklı olacaktır, bu nedenle yayılan fotonlar çok çeşitli enerjilere ve dolayısıyla dalga boylarına, yani. X-ışını spektrumu sürekli olacaktır. Şekil 1, farklı U 1 voltajlarında X-ışını bremsstrahlung spektrumunu göstermektedir
.
U kilovolt cinsinden ifade edilirse ve diğer nicelikler arasındaki ilişki dikkate alınırsa formül şu şekilde görünür: l k = 1,24/U (nm) veya l k = 1,24/U (Å) (1 Å = 10 -10 m).
Yukarıdaki grafiklerden, maksimum radyasyon enerjisini oluşturan l m dalga boyunun, kesme dalga boyu l k ile sabit bir ilişki içinde olduğu tespit edilebilir:
.
Dalga boyu, radyasyonun madde ile etkileşime girdiğinde nüfuz etme yeteneğinin bağlı olduğu bir fotonun enerjisini karakterize eder.
Kısa dalga X-ışınları genellikle yüksek nüfuz gücüne sahiptir ve sert olarak adlandırılırken, uzun dalga X-ışınları yumuşak olarak adlandırılır. Yukarıdaki formülden de görülebileceği gibi maksimum radyasyon enerjisinin oluştuğu dalga boyu, tüpün anot ve katodu arasındaki voltajla ters orantılıdır. X-ışını tüpünün anotundaki voltajın arttırılmasıyla radyasyonun spektral bileşimi değişir ve sertliği artar.
Filament voltajı değiştiğinde (katodun filaman sıcaklığı değiştiğinde), katot tarafından birim zaman başına yayılan elektron sayısı değişir veya buna göre tüp anot devresindeki akım gücü değişir. Bu durumda radyasyon gücü, akım kuvvetinin birinci kuvvetiyle orantılı olarak değişir. Radyasyonun spektral bileşimi değişmeyecektir.
Radyasyonun toplam akışı (gücü), enerjinin dalga boyları üzerindeki dağılımı ve kısa dalga boyları tarafındaki spektrum sınırı aşağıdaki üç nedene bağlıdır: elektronları hızlandıran ve tüpün anot ve katodu arasına uygulanan U voltajı ; radyasyon oluşumunda rol oynayan elektronların sayısı, yani. tüp filaman akımı; Elektron yavaşlamasının meydana geldiği anot maddesinin atom numarası Z.
X-ışını bremsstrahlung akısı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır: burada 
,
Bir maddenin Z atom numarası (atom numarası).
X-ışını tüpündeki voltajın arttırılmasıyla, karakteristik X-ışını radyasyonuna karşılık gelen sürekli Bremsstrahlung X-ışını radyasyonunun arka planında tek tek çizgilerin (çizgi spektrumu) görünümü fark edilebilir. Bir maddedeki atomların iç kabukları (K, L, M kabukları) arasında elektronların geçişi sırasında meydana gelir. Karakteristik radyasyon spektrumunun çizgi doğası, hızlandırılmış elektronların atomların derinliklerine nüfuz etmesi ve elektronları atomun dışındaki iç katmanlarından çıkarması nedeniyle ortaya çıkar. Üst katmanlardaki elektronlar (Şekil 2) serbest yerlere hareket eder, bunun sonucunda X-ışını fotonları, geçiş enerjisi seviyelerindeki farka karşılık gelen bir frekansta yayılır. Karakteristik radyasyon spektrumundaki çizgiler, K, L, M seviyesinde daha yüksek seviyedeki elektronların geçişlerine karşılık gelen seriler halinde birleştirilir.
Elektronun iç katmanlardan dışarı atılmasının bir sonucu olarak dış etki oldukça güçlü olmalıdır. Optik spektrumların aksine, farklı atomların karakteristik X-ışını spektrumları aynı tiptedir. Bu spektrumların tekdüzeliği, farklı atomların iç katmanlarının aynı olması ve yalnızca enerji açısından farklı olmasından kaynaklanmaktadır, çünkü elemanın sıra sayısı arttıkça çekirdekten gelen kuvvet etkisi artar. Bu, nükleer yükün artmasıyla karakteristik spektrumların daha yüksek frekanslara doğru kaymasına neden olur. Bu ilişki Moseley yasası olarak bilinir: 
A ve B'nin sabit olduğu; Elemanın Z-sıra numarası.
X-ışını ve optik spektrum arasında başka bir fark daha vardır. Bir atomun karakteristik spektrumu, atomun dahil olduğu kimyasal bileşiğe bağlı değildir. Örneğin oksijen atomunun X-ışını spektrumu O, O2, H2O için aynıyken bu bileşiklerin optik spektrumları önemli ölçüde farklıdır. Atomların X-ışını spektrumunun bu özelliği, "karakteristik" adının temelini oluşturdu.
Karakteristik radyasyon, buna neden olan sebeplerden bağımsız olarak, atomun iç katmanlarında boş alanlar olduğunda meydana gelir. Örneğin, bir elektronun iç katmandan çekirdek tarafından yakalanmasını içeren bir tür radyoaktif bozunmaya eşlik eder.
2. X-ışını tüplerinin ve protozoanın düzenlenmesi
Röntgen cihazı.
En yaygın X-ışını radyasyonu kaynağı, iki elektrotlu bir vakum cihazı olan bir X-ışını tüpüdür (Şekil 3). Bu, aralarında yüksek voltajın oluşturulduğu anot A ve katot K olmak üzere iki elektrotlu bir cam balondur (p = 10 -6 – 10 -7 mm Hg). Isıtılan katot (K) elektron yayar. Anot A'ya genellikle antikatot denir. Ortaya çıkan X-ışını radyasyonunu tüpün eksenine belli bir açıyla yönlendirmek için eğimli bir yüzeye sahiptir. Anot, elektronların çarpması sırasında oluşan ısıyı uzaklaştırmak için iyi ısı iletkenliğine sahip bir metalden (bakır) yapılmıştır. Anotun eğimli ucunda, anot aynası adı verilen, yüksek atom numarasına sahip, refrakter bir metalden (tungsten) oluşan bir plaka (3) bulunur. Bazı durumlarda anot, su veya yağ ile özel olarak soğutulur. Teşhis tüpleri için, elektronların anot üzerinde tek bir yere odaklanmasıyla elde edilebilen X-ışını kaynağının hassasiyeti önemlidir. Bu nedenle yapıcı olarak iki karşıt görevi hesaba katmak gerekir: bir yandan elektronların anotun bir yerine düşmesi gerekir, diğer yandan aşırı ısınmayı önlemek için elektronların anotun farklı alanlarına dağıtılması arzu edilir. anot. Bu nedenle bazı X-ışını tüpleri döner anotlu olarak üretilmektedir.
Herhangi bir tasarımdaki bir tüpte, anot ve katot arasındaki voltajla hızlanan elektronlar, anot aynasına düşer ve maddenin derinliklerine nüfuz eder, atomlarla etkileşime girer ve atomların alanı tarafından engellenir. Bu Bremsstrahlung X-ışını radyasyonu üretir. Bremsstrahlung ile eşzamanlı olarak az miktarda (yüzde birkaç) karakteristik radyasyon oluşur. Anoda çarpan elektronların sadece %1-2'si bremsstrahlung'a neden olur, geri kalanı ise termal etkidir. Elektronları yoğunlaştırmak için katodun bir kılavuz kapağı vardır. Tungsten aynanın ana elektron akışının düştüğü kısmına tüpün odağı denir. Radyasyon ışınının genişliği, alanına (odak keskinliği) bağlıdır.
Tüpe güç sağlamak için iki kaynak gereklidir: anot devresi için yüksek voltaj kaynağı ve akkor devresine güç sağlamak için düşük (6-8 V) kaynak. Her iki kaynak da bağımsız olarak düzenlenmelidir. Anot voltajı değiştirilerek X-ışını radyasyonunun sertliği düzenlenir ve filaman değiştirilerek çıkış devresi akımı ve buna bağlı olarak radyasyon gücü düzenlenir.
Basit bir X-ışını makinesinin temel elektrik şeması Şekil 4'te gösterilmektedir. Devrede yüksek voltaj için Tr.1 ve akkor güç kaynağı için Tr.2 olmak üzere iki transformatör bulunur. Borudaki yüksek voltaj, transformatör Tr.1'in birincil sargısına bağlanan ototransformatör Tr.3 tarafından düzenlenir. K anahtarı, ototransformatör sargısının dönüş sayısını düzenler. Bu bağlamda, tüpün anotuna sağlanan transformatörün sekonder sargısının voltajı da değişir, yani. sertlik ayarlanabilir.
Borunun filaman akımı, transformatör Tr.2'nin birincil sargısının devresine bağlı bir reostat R tarafından düzenlenir. Anot devre akımı bir miliampermetre ile ölçülür. Tüpün elektrotlarına sağlanan voltaj bir kilovoltmetre kV ile ölçülür veya anot devresindeki voltaj, K anahtarının konumu ile değerlendirilebilir. Bir reosta tarafından düzenlenen filaman akımı miktarı, ampermetre A ile ölçülür. Söz konusu devrede, X-ışını tüpü aynı anda yüksek bir alternatif voltajı düzeltir.
Böyle bir tüpün yalnızca bir yarım döngü alternatif akım yaydığını görmek kolaydır. Sonuç olarak, gücü küçük olacaktır. Yayılan gücü arttırmak için birçok cihaz yüksek voltajlı tam dalga X-ışını doğrultucuları kullanır. Bu amaçla bir köprü devresine bağlanan 4 özel kenotron kullanılır. Köprünün bir köşegeninde bir X-ışını tüpü bulunur.
3. X ışınlarının madde ile etkileşimi
(tutarlı saçılma, tutarsız saçılma, fotoelektrik etki).
X-ışını radyasyonu bir cismin üzerine düştüğünde, ondan az miktarda yansıtılır, ancak çoğunlukla onun derinliklerine geçer. Vücudun kütlesinde radyasyon kısmen emilir, kısmen dağılır ve kısmen geçer. Vücuttan geçen X-ışını fotonları, esas olarak maddenin atomlarının ve moleküllerinin elektronları ile etkileşime girer. X-ışını radyasyonunun kaydedilmesi ve kullanımının yanı sıra biyolojik nesneler üzerindeki etkisi, X-ışını fotonunun elektronlarla etkileşiminin birincil süreçleri tarafından belirlenir. Foton enerjisi E ve iyonlaşma enerjisi A I oranına bağlı olarak üç ana işlem gerçekleşir.
A) Tutarlı saçılma.
Uzun dalga X-ışınlarının saçılması esas olarak dalga boyunu değiştirmeden gerçekleşir ve buna tutarlı denir. Bir fotonun çekirdeğe sıkı bir şekilde bağlı olan iç kabukların elektronları ile etkileşimi, enerjisini ve dolayısıyla dalga boyunu değiştirmeden yalnızca yönünü değiştirir (Şekil 5).
Foton enerjisi iyonlaşma enerjisinden azsa tutarlı saçılma meydana gelir: E = hn<А И. Так как энергия фотона и энергия атома не изменяется, то когерентное рассеяние не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка.
B) Tutarsız saçılma (Compton etkisi).
1922'de sert X ışınlarının saçılımını gözlemleyen A. Compton, gelen ışınla karşılaştırıldığında saçılan ışının nüfuz etme gücünde bir azalma olduğunu keşfetti. X ışınlarının dalga boyundaki değişikliklerle saçılmasına Compton etkisi denir. Herhangi bir enerjideki bir foton, çekirdeğe zayıf bir şekilde bağlı olan atomların dış kabuklarının elektronları ile etkileşime girdiğinde meydana gelir (Şekil 6). Bir atomdan bir elektron çıkarılır (bu tür elektronlara geri tepme elektronları denir). Fotonun enerjisi azalır (buna göre dalga boyu artar) ve hareketinin yönü de değişir. Compton etkisi, X-ışını fotonunun enerjisi iyonlaşma enerjisinden büyükse ortaya çıkar: , . Bu durumda kinetik enerjisi E K olan geri tepme elektronları ortaya çıkar, atomlar ve moleküller iyon haline gelir. E K önemliyse, elektronlar komşu atomları çarpışma yoluyla iyonize edebilir ve yeni (ikincil) elektronlar oluşturabilir.
V) Fotoğraf efekti.
Eğer fotonun enerjisi hn bir elektronu ayırmak için yeterliyse, o zaman bir atomla etkileşime girdiğinde foton emilir ve elektron ondan ayrılır. Bu olaya fotoelektrik etki denir. Atom iyonize edilir (fotoiyonizasyon). Bu durumda elektron kinetik enerji kazanır ve eğer ikincisi ise 
Önemlidir, komşu atomları çarpışma yoluyla iyonize edebilir ve yeni (ikincil) elektronlar oluşturabilir. Foton enerjisi iyonizasyon için yeterli değilse, fotoelektrik etki bir atomun veya molekülün uyarılmasıyla kendini gösterebilir. Bazı maddelerde bu, görünür bölgede (x-ışını lüminesansı) fotonların daha sonra yayılmasına ve dokularda moleküllerin aktivasyonuna ve fotokimyasal reaksiyonlara yol açar.
Fotoelektrik etki, 0,5-1 MeV düzeyinde enerjiye sahip fotonların karakteristiğidir.
Yukarıda tartışılan üç ana etkileşim süreci birincildir ve daha sonra ikincil, üçüncül vb. süreçlere yol açar. fenomen. X-ışınları bir maddeye girdiğinde, X-ışını fotonunun enerjisi termal hareket enerjisine dönüşmeden önce bir takım işlemler meydana gelebilir.
Yukarıdaki işlemlerin bir sonucu olarak, X-ışını radyasyonunun birincil akışı zayıflar. Bu süreç Bouguer yasasına uyar. Bunu şu şekilde yazalım: Ф = Ф 0 e - mх, burada m, maddenin doğasına (esas olarak yoğunluk ve atom numarasına) ve radyasyonun dalga boyuna (foton enerjisi) bağlı olarak doğrusal zayıflama katsayısıdır. . Tutarlı saçılma, tutarsız saçılma ve fotoelektrik etkiye karşılık gelen üç terimden oluşacak şekilde temsil edilebilir: 
.
Doğrusal soğurma katsayısı maddenin yoğunluğuna bağlı olduğundan, doğrusal zayıflama katsayısının emicinin yoğunluğuna oranına eşit olan ve maddenin yoğunluğuna bağlı olmayan kütle zayıflama katsayısını kullanmayı tercih ederler. X-ışını akışının (yoğunluğunun) emici filtrenin kalınlığına bağımlılığı, H2O, Al ve Cu için Şekil 7'de gösterilmektedir. Hesaplamalar, 36 mm kalınlığındaki su, 15 mm alüminyum ve 1,6 mm bakır tabakasının X-ışını radyasyonunun yoğunluğunu 2 kat azalttığını gösteriyor. Bu kalınlığa yarım tabaka kalınlığı d denir. Bir madde x-ışını radyasyonunu yarı yarıya zayıflatıyorsa, o zaman 
, Daha sonra 
, veya , 
; ; . Yarım katmanın kalınlığını bilerek her zaman m'yi belirleyebilirsiniz. Boyut.
4. X ışınlarının tıpta kullanımı
(floroskopi, radyografi, X-ışını tomografisi, florografi, radyoterapi).
X-ışını radyasyonunun tıpta en yaygın kullanımlarından biri, iç organların teşhis amacıyla incelenmesi - x-ışını teşhisidir.
Teşhis için 60-120 keV enerjili fotonlar kullanılır. Bu durumda kütle soğurma katsayısı esas olarak fotoelektrik etkiyle belirlenir. Değeri l3 ile orantılıdır (sert radyasyonun yüksek nüfuz etme kabiliyetini gösterir) ve madde emicinin atom sayısının üçüncü gücüyle orantılıdır: burada K orantı katsayısıdır.
İnsan vücudu, x-ışını radyasyonuna göre farklı emilim yeteneklerine sahip doku ve organlardan oluşur. Bu nedenle X ışınları ile aydınlatıldığında ekranda iç organ ve dokuların konumunun resmini veren, düzgün olmayan bir gölge görüntüsü elde edilir. Radyasyonu en yoğun emen dokular (kalp, büyük damarlar, kemikler) karanlıkta görünür, en az emen dokular (akciğerler) ise açık renklidir.
Çoğu durumda normal veya patolojik durumlarına karar vermek mümkündür. X-ışını teşhisinde iki ana yöntem kullanılır: floroskopi (iletim) ve radyografi (görüntü). İncelenen organ ve onu çevreleyen dokular X-ışını akışını yaklaşık olarak eşit şekilde emerse, özel kontrast maddeleri kullanılır. Örneğin mide veya bağırsakların röntgen muayenesinin arifesinde yulaf lapasına benzer bir baryum sülfat kütlesi verilir, bu durumda onların gölge görüntüsünü görebilirsiniz. Floroskopi ve radyografide x-ışını görüntüsü, içinden x-ışınlarının geçtiği nesnenin tüm kalınlığının özet görüntüsüdür. Ekrana veya filme en yakın olan ayrıntılar en net şekilde ana hatlarıyla belirtilirken, uzaktaki ayrıntılar belirsiz ve bulanık hale gelir. Bazı organlarda patolojik olarak değiştirilmiş bir alan varsa, örneğin geniş bir iltihaplanma odağı içindeki akciğer dokusunun tahrip olması durumunda, bazı durumlarda bu alan radyografide gölgelerin toplamında "kaybolabilir". Görünür hale getirmek için özel bir yöntem kullanılır - çalışılan alanın tek tek katmanlarının görüntülerini elde etmenizi sağlayan tomografi (katman katman kayıt). Bu tür katman katman görüntü tomogramları, tomograf adı verilen, bir X-ışını tüpü (RT) ve fotoğraf filminin (FP) alana göre antifazda periyodik olarak birlikte hareket ettirildiği özel bir aparat kullanılarak elde edilir. çalışma. Bu durumda, RT'nin herhangi bir konumundaki X-ışınları, RT ve FP'nin periyodik hareketinin meydana geldiği merkez olan nesnenin aynı noktasından (değişen alan) geçecektir. Bölgenin gölge görüntüsü filme alınacaktır. “Salınım merkezinin” konumunu değiştirerek nesnenin katman katman görüntülerini elde etmek mümkündür. İnce bir X-ışını radyasyonu ışını, iyonlaştırıcı radyasyonun yarı iletken dedektörlerinden oluşan özel bir ekran (FP yerine) kullanarak, tomografi sırasında görüntüyü bir bilgisayar kullanarak işlemek mümkündür. Tomografinin bu modern versiyonuna bilgisayarlı tomografi denir. Tomografi akciğerler, böbrekler, safra kesesi, mide, kemikler vb.nin incelenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Ekrandaki görüntünün parlaklığı ve filmin maruz kalma süresi, x-ışını radyasyonunun yoğunluğuna bağlıdır. Teşhis amacıyla kullanıldığında, istenmeyen bir biyolojik etkiye neden olmayacak şekilde yoğunluk yüksek olamaz. Bu nedenle düşük X-ışını yoğunluklarında görüntü parlaklığını artıran çok sayıda teknik cihaz bulunmaktadır. Böyle bir cihaz bir elektron-optik dönüştürücüdür.
Başka bir örnek, büyük bir X-ışını ışıldayan ekranından alınan görüntünün hassas, küçük formatlı bir film üzerinde elde edildiği florografidir. Çekim yaparken yüksek diyafram açıklığına sahip bir lens kullanılır ve bitmiş görüntüler özel bir büyüteç kullanılarak incelenir.
Florografi, gizli hastalıkları (göğüs organlarının hastalıkları, gastrointestinal sistem, paranazal sinüsler vb.) tespit etme konusunda daha büyük bir yeteneği önemli bir verimle birleştirir ve bu nedenle çok etkili bir toplu (satır içi) araştırma yöntemidir.
Florografi sırasında bir X-ışını görüntüsünün fotoğraflanması, fotoğraf optikleri kullanılarak yapıldığından, florogramdaki görüntü, X-ışını ile karşılaştırıldığında azaltılır. Bu bağlamda, bir florogramın çözünürlüğü (yani küçük detayların fark edilebilirliği), geleneksel bir radyografininkinden daha azdır, ancak floroskopiden daha yüksektir.
Bir cihaz tasarlandı - belirli bir derinlikte vücut parçalarının ve bireysel organların florogramlarını elde etmeyi mümkün kılan bir tomoflorograf - sözde katman katman görüntüler (dilimler) - tomoflorogramlar.
X-ışını radyasyonu aynı zamanda terapötik amaçlar için de kullanılır (röntgen tedavisi). Radyasyonun biyolojik etkisi hücrelerin, özellikle de hızlı gelişen hücrelerin hayati aktivitesini bozmaktır. Bu bakımdan kötü huylu tümörlerin tedavisinde X-ışını tedavisinden yararlanılır. Sonraki rejenerasyon nedeniyle restore edilen, çevredeki sağlıklı dokuya nispeten küçük bir hasar vererek tümörü tamamen yok etmeye yeterli bir radyasyon dozu seçmek mümkündür.
Yoğunluk- X-ışını radyasyonunun, birim zaman başına tüp tarafından yayılan ışınların sayısıyla ifade edilen niceliksel bir özelliği. X-ışını radyasyonunun yoğunluğu miliamper cinsinden ölçülür. Bunu geleneksel bir akkor lambadan gelen görünür ışığın yoğunluğuyla karşılaştırarak bir benzetme yapabiliriz: örneğin, 20 watt'lık bir lamba bir yoğunlukla veya güçle parlayacak, 200 watt'lık bir lamba başka bir yoğunlukla veya güçle parlayacak, diğer taraftan Işığın kalitesi (tayfı) aynıdır. Bir X-ışınının yoğunluğu aslında onun miktarıdır. Her elektron anotta bir veya daha fazla radyasyon kuantumu yaratır, bu nedenle bir nesneyi açığa çıkarırken X ışınlarının sayısı, anoda yönelen elektronların sayısı ve elektronların tungsten hedefinin atomlarıyla etkileşimlerinin sayısı değiştirilerek düzenlenir. , bu iki şekilde yapılabilir:
1. Bir düşürücü transformatör kullanarak katot spiralinin ısınma derecesini değiştirerek (emisyon sırasında üretilen elektronların sayısı tungsten spiralin ne kadar sıcak olduğuna ve radyasyon kuantumunun sayısı elektron sayısına bağlı olacaktır) ;
2. Yükseltici transformatör tarafından tüpün kutuplarına - katot ve anot - sağlanan yüksek voltajın değerini değiştirerek (tüpün kutuplarına voltaj ne kadar yüksek olursa, elektronlar o kadar fazla kinetik enerji alır) enerjileri nedeniyle anot maddesinin birkaç atomuyla sırayla etkileşime girebilen - bkz. pirinç. 5; düşük enerjili elektronlar daha az etkileşime girebilecektir).
X-ışını yoğunluğunun (anot akımı) maruz kalma süresiyle (tüp çalışma süresi) çarpımı, mAs (saniye başına miliamper) cinsinden ölçülen X-ışını maruziyetine karşılık gelir. Pozlama, yoğunluk gibi, X-ışını tüpü tarafından yayılan ışınların sayısını karakterize eden bir parametredir. Tek fark, pozlamanın aynı zamanda tüpün çalışma süresini de hesaba katmasıdır (örneğin, tüp 0,01 saniye çalışırsa ışın sayısı bir olur, 0,02 saniye olursa ışın sayısı olur) farklı - iki kat daha fazla). Radyasyona maruz kalma miktarı, muayenenin türüne, incelenen nesnenin boyutuna ve teşhis görevine bağlı olarak radyolog tarafından X-ışını makinesinin kontrol panelinde ayarlanır.
Sertlik- X-ışını radyasyonunun niteliksel özellikleri. Tüp üzerindeki yüksek voltajın kilovolt cinsinden büyüklüğü ile ölçülür. X ışınlarının nüfuz gücünü belirler. Yükseltici bir transformatör tarafından X-ışını tüpüne sağlanan yüksek voltajla düzenlenir. Tüpün elektrotları arasında potansiyel farkı ne kadar yüksek olursa, elektronlar katottan o kadar fazla kuvvetle itilir ve anoda doğru hareket eder ve anotla çarpışmaları o kadar güçlü olur. Çarpışmaları ne kadar güçlü olursa, ortaya çıkan X-ışını radyasyonunun dalga boyu o kadar kısa olur ve bu dalganın nüfuz etme yeteneği (veya yoğunluk gibi kontrol panelinde voltaj parametresi tarafından düzenlenen radyasyonun sertliği) o kadar yüksek olur. tüp - kilovoltaj).
Pirinç. 7 - Dalga boyunun dalga enerjisine bağımlılığı:
λ - dalga boyu;
E - dalga enerjisi
· Hareket eden elektronların kinetik enerjisi ne kadar yüksek olursa, anot üzerindeki etkileri de o kadar güçlü olur ve ortaya çıkan X-ışını radyasyonunun dalga boyu o kadar kısa olur. Uzun dalga boyuna ve düşük nüfuz gücüne sahip X-ışını radyasyonuna "yumuşak", kısa dalga boyuna ve yüksek nüfuz gücüne sahip X-ışını radyasyonuna "sert" adı verilir.
Pirinç. 8 - X-ışını tüpündeki voltaj ile ortaya çıkan X-ışını radyasyonunun dalga boyu arasındaki ilişki:
· Tüpün kutuplarına ne kadar yüksek voltaj uygulanırsa aralarındaki potansiyel fark o kadar güçlü olur, dolayısıyla hareket eden elektronların kinetik enerjisi daha yüksek olur. Tüp üzerindeki voltaj, elektronların hızını ve anot maddesiyle çarpışma kuvvetini belirler; dolayısıyla voltaj, ortaya çıkan X-ışını radyasyonunun dalga boyunu belirler.
