В изучаването и практическото използване на атомните явления една от най-важните роли играе рентгенови лъчи. Благодарение на техните изследвания са направени много открития и са разработени методи за анализ на вещества, които се използват в различни области. Тук разглеждаме един от видовете рентгенови лъчи - характеристиката рентгенови лъчи.

Същност и свойства на рентгеновите лъчи

Рентгеновото лъчение е високочестотна промяна в състоянието на електричество магнитно поле, разпространяващ се в космоса със скорост около 300 000 km/s, т.е електромагнитни вълни. В скалата на обхвата на електромагнитното излъчване, рентгеновите лъчи се намират в диапазона на дължината на вълната от приблизително 10 -8 до 5∙10 -12 метра, което е с няколко порядъка по-късо от оптичните вълни. Това съответства на честоти от 3∙10 16 до 6∙10 19 Hz и енергии от 10 eV до 250 keV, или 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 J. Трябва да се отбележи, че границите на честотните диапазони на електромагнитните лъчения са доста конвенционални поради тяхното припокриване.

Това е взаимодействието на ускорени заредени частици (високоенергийни електрони) с електрически и магнитни полета и с атоми на материята.

Рентгеновите фотони се характеризират с висока енергия и висока проникваща и йонизираща способност, особено за твърди рентгенови лъчи с дължини на вълната по-малки от 1 нанометър (10 -9 m).

Рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, йонизирайки нейните атоми, в процесите на фотоелектричния ефект (фотоабсорбция) и некохерентното (Комптон) разсейване. При фотоабсорбцията рентгенов фотон, поглъщан от електрон на атом, предава енергия към него. Ако стойността му надвишава енергията на свързване на електрон в атом, тогава той напуска атома. Комптоновото разсейване е характерно за по-твърдите (енергийни) рентгенови фотони. Част от енергията на погълнатия фотон се изразходва за йонизация; в този случай под определен ъгъл спрямо посоката на първичния фотон се излъчва вторичен, с по-ниска честота.

Видове рентгеново лъчение. спирачно лъчение

За получаване на лъчи се използват стъклени вакуумни бутилки с електроди, разположени вътре. Потенциалната разлика между електродите трябва да бъде много висока - до стотици киловолта. Върху волфрамов катод, нагрят от ток, възниква термионна емисия, тоест от него се излъчват електрони, които, ускорени от потенциалната разлика, бомбардират анода. В резултат на взаимодействието им с атомите на анода (понякога наричан антикатод) се раждат рентгенови фотони.

В зависимост от това какъв процес води до раждането на фотон, има такива видове рентгеново лъчение като спирачно и характерно.

Електроните могат, срещайки се с анода, да забавят, тоест да загубят енергия в електрическите полета на своите атоми. Тази енергия се излъчва под формата на рентгенови фотони. Такова излъчване се нарича спирачно лъчение.

Ясно е, че условията на спиране ще се различават за отделните електрони. Това означава, че рентгеновите лъчи се преобразуват в различни количестватяхната кинетична енергия. В резултат на това спирачното лъчение включва фотони с различни честоти и съответно дължини на вълните. Следователно неговият спектър е непрекъснат (непрекъснат). Понякога поради тази причина се нарича още "бели" рентгенови лъчи.

Енергията на спирачния фотон не може да надвишава кинетичната енергия на електрона, който го генерира, така че максималната честота (и най-малката дължина на вълната) на спирачното лъчение съответства на най-голямата стойност на кинетичната енергия на електроните, падащи върху анода. Последното зависи от потенциалната разлика, приложена към електродите.

Има друг вид рентгенови лъчи, които идват от различен процес. Това излъчване се нарича характеристично и ще се спрем на него по-подробно.

Как се произвеждат характерни рентгенови лъчи

Достигайки антикатода, бърз електрон може да проникне вътре в атома и да избие всеки електрон от една от по-ниските орбитали, тоест да прехвърли към него енергия, достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера. Ако обаче има по-високи енергийни нива, заети от електрони в атома, освободеното място няма да остане празно.

Трябва да се помни, че електронната структура на атома, като всяка енергийна система, се стреми да сведе до минимум енергията. Вакантното място, образувано в резултат на нокаута, се запълва с електрон от едно от по-високите нива. Неговата енергия е по-висока и, заемайки по-ниско ниво, излъчва излишък под формата на квант от характерно рентгеново лъчение.

Електронната структура на атома е дискретен набор от възможни енергийни състояния на електроните. Следователно рентгеновите фотони, излъчвани по време на заместването на електронните свободни места, също могат да имат само строго определени енергийни стойности, отразяващи разликата в нивата. В резултат на това характерното рентгеново лъчение има спектър не от непрекъснат, а от линеен тип. Такъв спектър дава възможност да се характеризира веществото на анода - оттук и името на тези лъчи. Именно поради спектралните разлики става ясно какво се има предвид под спирачно лъчение и характерни рентгенови лъчи.

Понякога излишната енергия не се излъчва от атома, а се изразходва за избиване на третия електрон. Този процес - така нареченият ефект на Оже - е по-вероятно да се случи, когато енергията на свързване на електрони не надвишава 1 keV. Енергията на освободения Оже електрон зависи от структурата на енергийните нива на атома, така че спектрите на такива електрони също са дискретни.

Общ изглед на характеристичния спектър

Тесни характерни линии присъстват в рентгеновия спектрален модел заедно с непрекъснат спектър на спирачно лъчение. Ако представим спектъра като графика на интензитета спрямо дължината на вълната (честотата), ще видим остри пикове на местата на линиите. Тяхното положение зависи от материала на анода. Тези максимуми присъстват при всяка потенциална разлика - ако има рентгенови лъчи, винаги има и пикове. С увеличаване на напрежението на електродите на тръбата, интензитетът както на непрекъснатото, така и на характерното рентгеново лъчение се увеличава, но местоположението на пиковете и съотношението на техните интензитети не се променя.

Пиковете в рентгеновите спектри имат еднаква форма, независимо от материала на антикатода, облъчен от електрони, но за различни материалиразположени на различни честоти, обединяващи се последователно според близостта на честотните стойности. Между самите серии разликата в честотите е много по-значителна. Формата на максимумите не зависи по никакъв начин от това дали анодният материал представлява чист химичен елемент или е сложно вещество. В последния случай характерните рентгенови спектри на съставните му елементи просто се наслагват един върху друг.

С увеличаване на атомния номер на химичен елемент всички линии на неговия рентгенов спектър се изместват към нарастваща честота. Спектърът запазва формата си.

Законът на Мозли

Феноменът на спектралното изместване на характерните линии е експериментално открит от английския физик Хенри Мозли през 1913 г. Това му позволява да свърже честотите на максимумите на спектъра с порядковите номера на химичните елементи. По този начин дължината на вълната на характерното рентгеново лъчение, както се оказа, може да бъде ясно свързана с определен елемент. V общ изгледЗаконът на Мозли може да се запише по следния начин: √f = (Z - S n)/n√R, където f е честотата, Z е поредният номер на елемента, S n е екраниращата константа, n е главното квантово число , а R е константата на Ридберг. Тази връзка е линейна и се появява на диаграмата на Мозли като поредица от прави линии за всяка стойност на n.

Стойностите на n съответстват на отделни серии от характерни рентгенови пикове. Законът на Мозли позволява да се определи серийният номер на химически елемент, облъчен от твърди електрони, от измерените дължини на вълната (те са уникално свързани с честотите) на максимумите на рентгеновия спектър.

Структурата на електронните обвивки на химичните елементи е идентична. Това се посочва от монотонността на промяната на изместването в характерния спектър на рентгеновите лъчи. Изместването на честотата отразява не структурните, а енергийните разлики между електронните обвивки, уникални за всеки елемент.

Ролята на закона на Мозли в атомната физика

Има малки отклонения от строгата линейна връзка, изразена от закона на Мозли. Те са свързани, първо, с особеностите на реда на запълване на електронните обвивки в някои елементи и, второ, с релативистичните ефекти от движението на електроните в тежките атоми. Освен това, когато броят на неутроните в ядрото се промени (т.нар. изотопно изместване), позицията на линиите може леко да се промени. Този ефект направи възможно детайлното изследване на атомната структура.

Значението на закона на Мозли е изключително голямо. Неговото последователно приложение към елементите на периодичната система на Менделеев установи модела на увеличаване на поредния номер според всяко малко изместване на характерните максимуми. Това допринесе за изясняване на въпроса за физическото значение на редовния номер на елементите. Стойността Z не е просто число: това е положителният електрически заряд на ядрото, който е сумата от единичните положителни заряди на частиците, които го съставят. Правилното разположение на елементите в таблицата и наличието на празни позиции в нея (тогава те все още съществуваха) получиха мощно потвърждение. Доказана е валидността на периодичния закон.

Законът на Мозли, освен това, стана основата, върху която възникна цяла област на експериментални изследвания - рентгенова спектрометрия.

Структурата на електронните обвивки на атома

Нека си припомним накратко как е подреден електронът. Състои се от обвивки, обозначени с буквите K, L, M, N, O, P, Q или числа от 1 до 7. Електроните в обвивката се характеризират с една и съща основна квантово число n, което определя възможните стойности на енергията. Във външните обвивки енергията на електроните е по-висока и йонизационният потенциал за външните електрони съответно е по-нисък.

Обвивката включва едно или повече поднива: s, p, d, f, g, h, i. Във всяка обвивка броят на поднивата се увеличава с едно в сравнение с предишното. Броят на електроните във всяко подниво и във всяка обвивка не може да надвишава определена стойност. Те се характеризират, освен основното квантово число, със същата стойност на орбиталния електронен облак, който определя формата. Поднивата са обозначени с обвивката, към която принадлежат, като 2s, 4d и т.н.

Поднивото съдържа, които се задават освен основното и орбиталното, с още едно квантово число - магнитно, което определя проекцията на орбиталния импулс на електрона върху посоката на магнитното поле. Една орбитала може да има не повече от два електрона, различаващи се по стойността на четвъртото квантово число - спин.

Нека разгледаме по-подробно как възниква характерното рентгеново лъчение. Тъй като произходът на този тип електромагнитно излъчване е свързан с явления, възникващи вътре в атома, най-удобно е да се опише точно в приближението на електронните конфигурации.

Механизмът на генериране на характерни рентгенови лъчи

И така, причината за това излъчване е образуването на електронни свободни места във вътрешните обвивки, поради проникването на високоенергийни електрони дълбоко в атома. Вероятността твърд електрон да взаимодейства нараства с плътността на електронните облаци. Следователно сблъсъците най-вероятно са в плътно опаковани вътрешни черупки, като например най-ниската K-черупка. Тук атомът се йонизира и в обвивката 1s се образува празно място.

Това празно място се запълва от електрон от обвивката с по-висока енергия, чийто излишък се отнася от рентгеновия фотон. Този електрон може да "падне" от втората обвивка L, от третата обвивка M и т.н. Така се формира характерната серия, в този пример K-серията. Индикация за това откъде идва електронът, запълващ свободното място, се дава под формата на гръцки индекс при обозначаване на серията. "Алфа" означава, че идва от L-черупката, "бета" - от M-черупката. В момента има тенденция гръцките буквени индекси да се заменят с латински, приети за обозначаване на черупки.

Интензитетът на алфа линията в серията винаги е най-висок, което означава, че вероятността за запълване на свободно място от съседна обвивка е най-висока.

Сега можем да отговорим на въпроса каква е максималната енергия на характерния рентгенов квант. Определя се от разликата в енергийните стойности на нивата, между които се осъществява преходът на електрон, съгласно формулата E = E n 2 - E n 1, където E n 2 и E n 1 са енергиите на електронни състояния, между които е настъпил преходът. Най-високата стойност на този параметър се дава от K-серията преходи от възможно най-високите нива на атоми на тежки елементи. Но интензитетът на тези линии (върхови височини) е най-малък, тъй като те са най-малко вероятни.

Ако поради недостатъчно напрежение на електродите, твърд електрон не може да достигне K-нивото, той образува празно място на L-ниво и се образува по-малко енергична L-серия с по-дълги дължини на вълната. Следващите сериали се раждат по подобен начин.

Освен това, когато се запълни свободно място, в горната обвивка се появява ново вакантно място в резултат на електронен преход. Това създава условия за генериране на следващата серия. Електронните свободни места се движат по-високо от ниво на ниво и атомът излъчва каскада от характерни спектрални серии, като същевременно остава йонизиран.

Фина структура на характеристичните спектри

Атомните рентгенови спектри на характерното рентгеново лъчение се характеризират с фина структура, която се изразява, както в оптичните спектри, в линейно разделяне.

Фината структура се дължи на факта, че енергийното ниво - електронната обвивка - е набор от близко разположени компоненти - подобвивки. За характеризиране на подобвивките се въвежда още едно вътрешно квантово число j, което отразява взаимодействието на вътрешните и орбиталните магнитни моменти на електрона.

Във връзка с влиянието на спин-орбиталното взаимодействие енергийната структура на атома се усложнява и в резултат на това характерното рентгеново лъчение има спектър, който се характеризира с разцепени линии с много близко разположени елементи.

Елементите на фината структура обикновено се обозначават с допълнителни цифрови индекси.

Характерното рентгеново лъчение има особеност, която се отразява само във фината структура на спектъра. Преходът на електрон към най-ниското енергийно ниво не се осъществява от долната подобвивка на горното ниво. Вероятността за такова събитие е незначителна.

Използването на рентгенови лъчи в спектрометрията

Това излъчване, поради своите характеристики, описани от закона на Мозли, е в основата на различни рентгенови спектрални методи за анализ на вещества. При анализа на рентгеновия спектър се използват или дифракция на излъчване от кристали (вълново-дисперсионен метод), или детектори, чувствителни към енергията на погълнатите рентгенови фотони (енергийно-дисперсионен метод). Повечето електронни микроскопи са оборудвани с някаква форма на приставка за рентгенова спектрометрия.

Вълново-дисперсионната спектрометрия се характеризира с особено висока точност. С помощта на специални филтри се избират най-интензивните пикове в спектъра, благодарение на които е възможно да се получи почти монохроматично излъчване с точно известна честота. Материалът на анода се избира много внимателно, за да се гарантира, че се получава монохроматичен лъч с желаната честота. Неговата дифракция върху кристалната решетка на изследваното вещество дава възможност да се изследва структурата на решетката с голяма точност. Този метод се използва и при изследване на ДНК и други сложни молекули.

Една от особеностите на характерното рентгеново лъчение се взема предвид и в гама спектрометрията. Това е високата интензивност на характерните пикове. Гама спектрометрите използват оловно екраниране срещу външна фонова радиация, която пречи на измерванията. Но оловото, поглъщащо гама квантите, изпитва вътрешна йонизация, в резултат на което активно излъчва в рентгеновия диапазон. Допълнителен скрининг на кадмий се използва за поглъщане на интензивните пикове на характерното рентгеново лъчение от олово. Той от своя страна се йонизира и също излъчва рентгенови лъчи. За неутрализиране на характерните пикове на кадмия се използва трети екраниращ слой - мед, чиито рентгенови максимуми са извън работния честотен диапазон на гама спектрометъра.

Спектрометрията използва както спирачно лъчение, така и характерни рентгенови лъчи. Така при анализа на веществата се изследват спектрите на поглъщане на непрекъснати рентгенови лъчи от различни вещества.

Рентгеновото лъчение (синоним на рентгенови лъчи) е с широк диапазон от дължини на вълните (от 8·10 -6 до 10 -12 cm). Рентгеновите лъчи се получават чрез забавяне на заредени частици, най-често електрони, в електрическо полеатоми на материята. Получените кванти имат различни енергии и образуват непрекъснат спектър. Максималната енергия на фотоните в такъв спектър е равна на енергията на падащите електрони. В (виж) максималната енергия на рентгеновите кванти, изразена в килоелектрон-волта, е числено равна на величината на напрежението, приложено към тръбата, изразено в киловолта. Когато преминават през вещество, рентгеновите лъчи взаимодействат с електроните на неговите атоми. За рентгенови кванти с енергия до 100 keV най-характерният вид взаимодействие е фотоелектричният ефект. В резултат на такова взаимодействие квантовата енергия се изразходва изцяло за изтегляне на електрон от атомната обвивка и придаване на кинетична енергия към нея. С увеличаване на енергията на рентгеновия квант вероятността от фотоелектричния ефект намалява и процесът на разсейване на кванти върху свободни електрони, така нареченият ефект на Комптон, става преобладаващ. В резултат на такова взаимодействие се образува и вторичен електрон и освен това излита квант с енергия, по-малка от енергията на първичния квант. Ако енергията на рентгенов квант надвишава един мегаелектрон-волт, може да се осъществи така нареченият ефект на сдвояване, при който се образуват електрон и позитрон (виж). Следователно, когато преминава през вещество, енергията на рентгеновото лъчение намалява, тоест интензитетът му намалява. Тъй като в този случай е по-вероятно да се абсорбират нискоенергийни кванти, рентгеновото лъчение се обогатява с кванти с по-висока енергия. Това свойство на рентгеновото лъчение се използва за увеличаване на средната енергия на квантите, т.е. за увеличаване на неговата твърдост. Увеличаването на твърдостта на рентгеновото лъчение се постига с помощта на специални филтри (вижте). Рентгеновата радиация се използва за рентгенова диагностика (виж) и (виж). Вижте също йонизиращо лъчение.

Рентгеново лъчение (синоним: рентгенови лъчи, рентгенови лъчи) - квантово електромагнитно излъчване с дължина на вълната от 250 до 0,025 A (или енергийни кванти от 5 10 -2 до 5 10 2 keV). През 1895 г. е открит от В. К. Рентген. Спектралната област на електромагнитното лъчение, съседна на рентгеновите лъчи, чиито енергийни кванти надвишават 500 keV, се нарича гама лъчение (виж); радиация, чиито енергийни кванти са под 0,05 keV, е ултравиолетово лъчение (виж).

По този начин, представлявайки сравнително малка част от огромния спектър на електромагнитното излъчване, който включва както радиовълни, така и видима светлина, рентгеновото лъчение, като всяко електромагнитно лъчение, се разпространява със скоростта на светлината (около 300 хиляди km / s във вакуум ) и се характеризира с дължина на вълната λ (разстоянието, на което излъчването се разпространява за един период на трептене). Рентгеновото лъчение има и редица други свойства на вълната (пречупване, интерференция, дифракция), но е много по-трудно да се наблюдават, отколкото при лъчения с по-голяма дължина на вълната: видима светлина, радиовълни.

Рентгенови спектри: а1 - непрекъснат спектър на спирачно лъчение при 310 kV; a - спектър на непрекъснато спирачно лъчение при 250 kV, a1 - спектър, филтриран от 1 mm Cu, a2 - спектър, филтриран от 2 mm Cu, b - K-серия на волфрамова линия.

За генериране на рентгенови лъчи се използват рентгенови тръби (виж), в които се получава радиация, когато бързи електрони взаимодействат с атомите на анодното вещество. Има два вида рентгенови лъчи: спирачни и характерни. Спирачното рентгеново лъчение, което има непрекъснат спектър, е подобно на обикновената бяла светлина. Разпределението на интензитета в зависимост от дължината на вълната (фиг.) е представено с крива с максимум; в посока на дългите вълни кривата пада леко, а в посока на късите вълни тя стръмно и се откъсва при определена дължина на вълната (λ0), наречена късовълнова граница на непрекъснатия спектър. Стойността на λ0 е обратно пропорционална на напрежението върху тръбата. Спирачното лъчение възниква от взаимодействието на бързи електрони с атомни ядра. Интензитетът на спирачното лъчение е право пропорционален на силата на анодния ток, квадрата на напрежението на тръбата и атомния номер (Z) на материала на анода.

Ако енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, надвиши критичната стойност за анодното вещество (тази енергия се определя от напрежението на тръбата Vcr, което е критично за това вещество), тогава възниква характерно излъчване. Характерният спектър е линия, нейните спектрални линии образуват серия, обозначена с буквите K, L, M, N.

Серията K е с най-къса дължина на вълната, серията L е с по-голяма дължина на вълната, сериите M и N се наблюдават само в тежки елементи (Vcr на волфрама за K-серията е 69,3 kv, за L-серията - 12,1 kv). Характерното излъчване възниква, както следва. Бързите електрони избиват атомните електрони от вътрешните обвивки. Атомът се възбужда и след това се връща в основно състояние. В този случай електрони от външните, по-малко свързани обвивки запълват освободените пространства във вътрешните обвивки и се излъчват фотони на характерно излъчване с енергия, равна на разликата между енергиите на атома във възбудено и основно състояние. Тази разлика (а оттам и енергията на фотона) има определена стойност, характерна за всеки елемент. Това явление е в основата на рентгеновия спектрален анализ на елементите. Фигурата показва линейния спектър на волфрама на фона на непрекъснат спектър на спирачно лъчение.

Енергията на електроните, ускорени в рентгеновата тръба, се превръща почти изцяло в топлинна енергия (анодът е силно нагрят в този случай), само незначителна част (около 1% при напрежение близо до 100 kV) се превръща в енергия на спирачно лъчение .

Използването на рентгенови лъчи в медицината се основава на законите за поглъщане на рентгеновите лъчи от материята. Поглъщането на рентгеновите лъчи е напълно независимо от оптичните свойства на абсорбиращия материал. Безцветното и прозрачно оловно стъкло, използвано за защита на персонала в рентгеновите зали, поглъща рентгеновите лъчи почти напълно. За разлика от тях, лист хартия, който не е прозрачен за светлината, не отслабва рентгеновите лъчи.

Интензитетът на хомогенен (т.е. с определена дължина на вълната) рентгенов лъч, когато преминава през абсорбиращ слой, намалява по експоненциален закон (ex), където e е основата на естествените логаритми (2,718), а експонентът x е равно на произведението на масовия коефициент на затихване (μ / p) cm 2 /g на дебелина на абсорбера в g / cm 2 (тук p е плътността на веществото в g / cm 3). Рентгеновите лъчи се отслабват както чрез разсейване, така и чрез поглъщане. Съответно, коефициентът на затихване на масата е сумата от коефициентите на поглъщане и разсейване на масата. Коефициентът на поглъщане на масата нараства рязко с увеличаване на атомния номер (Z) на абсорбера (пропорционално на Z3 или Z5) и с увеличаване на дължината на вълната (пропорционално на λ3). Тази зависимост от дължината на вълната се наблюдава в лентите на поглъщане, в границите на които коефициентът проявява скокове.

Коефициентът на масово разсейване се увеличава с увеличаване на атомния номер на веществото. За λ≥0,3Å коефициентът на разсейване не зависи от дължината на вълната, за λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Намаляването на коефициентите на поглъщане и разсейване с намаляване на дължината на вълната води до увеличаване на проникващата сила на рентгеновите лъчи. Коефициентът на усвояване на масата за костите [усвояването се дължи главно на Ca 3 (PO 4) 2 ] е почти 70 пъти по-голям, отколкото за меките тъкани, където абсорбцията се дължи главно на вода. Това обяснява защо сянката на костите изпъква толкова рязко на рентгеновите снимки на фона на меките тъкани.

Разпространението на нехомогенен рентгенов лъч през всяка среда, заедно с намаляване на интензитета, се придружава от промяна в спектралния състав, промяна в качеството на излъчването: дълговълновата част на спектъра се абсорбира до в по-голяма степен от късовълновата част, излъчването става по-равномерно. Филтрирането на дълговълновата част от спектъра дава възможност да се подобри съотношението между дълбоките и повърхностните дози по време на рентгенова терапия на огнища, разположени дълбоко в човешкото тяло (вижте рентгенови филтри). За да се характеризира качеството на нехомогенен рентгенов лъч, се използва концепцията за "половина затихващ слой (L)" - слой от вещество, което отслабва излъчването наполовина. Дебелината на този слой зависи от напрежението на тръбата, дебелината и материала на филтъра. Целофан (до енергия от 12 keV), алуминий (20–100 keV), мед (60–300 keV), олово и мед (>300 keV) се използват за измерване на половината затихващи слоеве. За рентгенови лъчи, генерирани при напрежения от 80-120 kV, 1 mm мед е еквивалентен по филтриращ капацитет на 26 mm алуминий, 1 mm олово е еквивалентен на 50,9 mm алуминий.

Поглъщането и разсейването на рентгеновите лъчи се дължи на неговите корпускулярни свойства; Рентгеновите лъчи взаимодействат с атомите като поток от корпускули (частици) – фотони, всеки от които има определена енергия (обратно пропорционална на дължината на вълната на рентгеновите лъчи). Енергийният диапазон на рентгеновите фотони е 0,05-500 keV.

Поглъщането на рентгеново лъчение се дължи на фотоелектричния ефект: поглъщането на фотон от електронната обвивка се придружава от изхвърляне на електрон. Атомът се възбужда и, връщайки се в основно състояние, излъчва характерна радиация. Излъченият фотоелектрон отвежда цялата енергия на фотона (минус енергията на свързване на електрона в атома).

Разсейването на рентгеновото лъчение се дължи на електроните на разсейващата среда. Има класическо разсейване (дължината на вълната на лъчението не се променя, но се променя посоката на разпространение) и разсейване с промяна на дължината на вълната - ефектът на Комптън (дължината на вълната на разсеяното лъчение е по-голяма от падащата). В последния случай фотонът се държи като движеща се топка, а разсейването на фотоните става, според образния израз на Комнтън, като игра на билярд с фотони и електрони: сблъсквайки се с електрон, фотонът пренася част от енергията си към него и се разсейва, имайки вече по-малко енергия (съответно дължината на вълната на разсеяното лъчение се увеличава), електронът излита от атома с енергия на откат (тези електрони се наричат ​​комптонови електрони, или електрони на откат). Поглъщането на енергията на рентгеновите лъчи става по време на образуването на вторични електрони (Комптон и фотоелектрони) и прехвърлянето на енергия към тях. Енергията на рентгеновите лъчи, прехвърлени на единица маса от вещество, определя погълнатата доза на рентгеновите лъчи. Единицата на тази доза 1 rad съответства на 100 erg/g. Поради погълнатата енергия в веществото на абсорбера възникват редица вторични процеси, които са важни за рентгеновата дозиметрия, тъй като именно на тях се основават рентгеновите методи за измерване. (вижте Дозиметрия).

Всички газове и много течности, полупроводници и диелектрици под действието на рентгеновите лъчи повишават електрическата проводимост. Проводимостта се намира от най-добрите изолационни материали: парафин, слюда, каучук, кехлибар. Промяната в проводимостта се дължи на йонизацията на средата, т.е. разделянето на неутралните молекули на положителни и отрицателни йони (йонизацията се произвежда от вторични електрони). Йонизацията във въздуха се използва за определяне на дозата на експозиция на рентгеново лъчение (доза във въздуха), която се измерва в рентгенови лъчи (виж Дози на йонизиращо лъчение). При доза от 1 r, абсорбираната доза във въздуха е 0,88 rad.

Под действието на рентгеновите лъчи, в резултат на възбуждането на молекулите на веществото (и при рекомбинацията на йони), в много случаи се възбужда видимо сияние на веществото. При високи интензитети на рентгеново лъчение се наблюдава видимо сияние на въздух, хартия, парафин и др. (изключение правят металите). Най-висок добив на видима светлина се дава от такива кристални фосфори като Zn·CdS·Ag-фосфор и други, използвани за екрани при флуороскопия.

Под действието на рентгеновите лъчи във веществото могат да протичат и различни химични процеси: разлагане на сребърни халогениди (фотографски ефект, използван при рентгеновите лъчи), разлагане на вода и водни разтвори на водороден прекис, промяна в свойства на целулоид (помътняване и отделяне на камфор), парафин (замъгляване и избелване).

В резултат на пълно преобразуване цялата рентгенова енергия, погълната от химически инертното вещество, се превръща в топлина. Измерването на много малки количества топлина изисква високочувствителни методи, но е основният метод за абсолютни измервания на рентгенови лъчи.

Вторичните биологични ефекти от излагане на рентгенови лъчи са в основата на медицинската лъчетерапия (вж.). Рентгеновите лъчи, чиито кванти са 6-16 keV (ефективни дължини на вълната от 2 до 5 Å), се абсорбират почти напълно от кожната обвивка на тъканта на човешкото тяло; те се наричат ​​гранични лъчи или понякога Бука лъчи (виж Бука лъчи). За дълбока рентгенова терапия се използва твърдо филтрирано лъчение с ефективни енергийни кванти от 100 до 300 keV.

Биологичният ефект на рентгеновата радиация трябва да се има предвид не само при рентгеновата терапия, но и при рентгеновата диагностика, както и във всички други случаи на контакт с рентгенови лъчи, които изискват използването на радиационна защита ( виж).

ЛЕКЦИЯ

РЕНГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ

Природата на рентгеновите лъчи

Рентгеново лъчение на спирачно лъчение, неговите спектрални свойства.

Характерно рентгеново лъчение (за преглед).

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с материята.

Физическа основа за използването на рентгеновите лъчи в медицината.

Рентгеновите лъчи (X - лъчи) са открити от К. Рентген, който през 1895 г. става първият Нобелов лауреат по физика.

Природата на рентгеновите лъчи

рентгеново лъчение - електромагнитни вълни с дължина от 80 до 10 -5 nm. Дълговълновото рентгеново лъчение се покрива от късовълново UV лъчение, а късовълновото – от дълговълново  лъчение.

Рентгеновите лъчи се произвеждат в рентгенови тръби. Фиг. 1.

K - катод

1 - електронен лъч

2 - Рентгеново лъчение

Ориз. 1. Устройство с рентгенова тръба.

Тръбата представлява стъклена колба (с евентуално висок вакуум: налягането в нея е около 10–6 mm Hg) с два електрода: анод А и катод К, към които се прилага високо напрежение U (няколко хиляди волта). Катодът е източник на електрони (поради явлението термионна емисия). Анодът е метален прът, който има наклонена повърхност, за да насочи полученото рентгеново лъчение под ъгъл спрямо оста на тръбата. Изработен е от материал с висока топлопроводимост, за да отстрани топлината, генерирана по време на електронно бомбардиране. На скосения край има плоча, изработена от огнеупорен метал (например волфрам).

Силното нагряване на анода се дължи на факта, че основният брой електрони в катодния лъч, ударил анода, изпитват многобройни сблъсъци с атомите на веществото и им предават голямо количество енергия.

Под действието на високо напрежение електроните, излъчвани от нишката с горещ катод, се ускоряват до високи енергии. Кинетичната енергия на електрона е равна на mv 2 /2. Тя е равна на енергията, която придобива при движение в електростатичното поле на тръбата:

mv 2 /2 = eU(1)

където m, e са масата и заряда на електрона, U е ускорителното напрежение.

Процесите, водещи до появата на спирачно рентгеново лъчение, се дължат на интензивното забавяне на електроните в анодния материал от електростатичното поле на атомното ядро ​​и атомните електрони.

Механизмът на произход може да бъде представен по следния начин. Движещите се електрони са някакъв вид ток, който образува свое собствено магнитно поле. Електронното забавяне е намаляване на силата на тока и съответно промяна в индукцията на магнитното поле, което ще предизвика появата на променливо електрическо поле, т.е. появата на електромагнитна вълна.

По този начин, когато заредена частица лети в материята, тя се забавя, губи своята енергия и скорост и излъчва електромагнитни вълни.

Спектрални свойства на рентгеновото спирачно лъчение .

Така че, в случай на забавяне на електрони в анодния материал, спирачно излъчване.

Спектърът на спирачното лъчение е непрекъснат. Причината за това е следната.

Когато електроните се забавят, всеки от тях има част от енергията, използвана за нагряване на анода (E 1 = Q), другата част за създаване на рентгенов фотон (E 2 = hv), в противен случай, eU = hv + В. Съотношението между тези части е произволно.

По този начин непрекъснатият спектър на рентгеновото спирачно лъчение се образува поради забавянето на много електрони, всеки от които излъчва един рентгенов квант hv (h) със строго определена стойност. Стойността на този квант различни за различните електрони.Зависимост на рентгеновия енергиен поток от дължината на вълната , т.е. рентгеновият спектър е показан на фиг.2.

Фиг.2. Спектър на спирачно лъчение: а) при различни напрежения U в тръбата; б) при различни температури Т на катода.

Късовълновото (твърдо) лъчение има по-голяма проникваща способност от дълговълновото (меко) излъчване. Меката радиация се поглъща по-силно от материята.

От страната на късите дължини на вълната, спектърът завършва рязко при определена дължина на вълната  m i n . Такова спирачно лъчение с къса вълна възниква, когато енергията, придобита от електрон в ускоряващо поле, се преобразува напълно в енергия на фотон (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min ,  min = hc/(eU), (2)

 min (nm) = 1,23/UkV

Спектралният състав на лъчението зависи от напрежението на рентгеновата тръба, като с увеличаване на напрежението стойността на  m i n се измества към къси дължини на вълната (фиг. 2а).

Когато температурата T на нажежаемостта на катода се промени, електронната емисия се увеличава. Следователно токът I в тръбата се увеличава, но спектралният състав на излъчването не се променя (фиг. 2b).

Енергийният поток Ф  на спирачното лъчение е право пропорционален на квадрата на напрежението U между анода и катода, силата на тока I в тръбата и атомния номер Z на анодното вещество:

Ф = kZU 2 I. (3)

където k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).

Характерни рентгенови лъчи (за запознаване).

Увеличаването на напрежението върху рентгеновата тръба води до факта, че на фона на непрекъснат спектър се появява линия, която съответства на характерното рентгеново лъчение. Това излъчване е специфично за материала на анода.

Механизмът на възникването му е следният. При високо напрежение ускорените електрони (с висока енергия) проникват дълбоко в атома и избиват електроните от вътрешните му слоеве. Електроните от горните нива преминават към свободни места, в резултат на което се излъчват фотони с характерно излъчване.

Спектрите на характеристичното рентгеново лъчение се различават от оптичните спектри.

- Еднообразие.

Еднородността на характеристичните спектри се дължи на факта, че вътрешните електронни слоеве на различните атоми са еднакви и се различават само енергийно поради силовото действие от ядрата, което нараства с увеличаване на елементния брой. Следователно, характерните спектри се изместват към по-високи честоти с увеличаване на ядрен заряд. Това беше експериментално потвърдено от служител на Roentgen - Мозли, който измерва честотите на преход на рентгенови лъчи за 33 елемента. Те създадоха закона.

ЗАКОН НА МОЗЛИ – корен квадратен от честотата на характеристичното излъчване е линейна функция на порядковия номер на елемента:

= A  (Z - B), (4)

където v е честотата на спектралната линия, Z е атомният номер на излъчващия елемент. A, B са константи.

Значението на закона на Мозли се състои във факта, че от тази зависимост е възможно точно да се определи атомният номер на изследвания елемент от измерената честота на рентгеновата линия. Това изигра голяма роля при разположението на елементите в периодичната таблица.

Независимост от химично съединение.

Характерните рентгенови спектри на атома не зависят от химичното съединение, в което влиза атомът на елемента. Например, рентгеновият спектър на кислороден атом е еднакъв за O 2, H 2 O, докато оптичните спектри на тези съединения се различават. Тази характеристика на рентгеновия спектър на атома е в основата на името " характерно излъчване".

Взаимодействие на рентгеновото лъчение с материята

Въздействието на рентгеновите лъчения върху обектите се определя от първичните процеси на рентгеново взаимодействие. фотон с електрониатоми и молекули на материята.

Рентгеново лъчение в материята абсорбираили се разсейва. В този случай могат да възникнат различни процеси, които се определят от съотношението на енергията на рентгеновия фотон hv и йонизационната енергия Аu (йонизационната енергия Аu е енергията, необходима за отстраняване на вътрешните електрони от атома или молекулата).

а) Кохерентно разсейване(разсейване на дълговълнова радиация) възниква, когато релацията

За фотоните поради взаимодействие с електрони се променя само посоката на движение (фиг. 3а), но енергията hv и дължината на вълната не се променят (следователно това разсейване се нарича съгласуван). Тъй като енергиите на фотон и атом не се променят, кохерентното разсейване не засяга биологичните обекти, но при създаване на защита срещу рентгеново лъчение трябва да се вземе предвид възможността за промяна на първичната посока на лъча.

б) фотоелектричен ефектсе случва, когато

В този случай могат да се реализират два случая.

Фотонът се абсорбира, електронът се отделя от атома (фиг. 3б). Настъпва йонизация. Отделеният електрон придобива кинетична енергия: E k \u003d hv - A и. Ако кинетичната енергия е голяма, тогава електронът може да йонизира съседни атоми чрез сблъсък, образувайки нови. вториелектрони.

Фотонът се абсорбира, но енергията му не е достатъчна, за да отдели електрона и възбуждане на атом или молекула(фиг. 3в). Това често води до последващо излъчване на фотон във видимата радиационна област (рентгенова луминесценция), а в тъканите - до активиране на молекули и фотохимични реакции. Фотоелектричният ефект възниква главно върху електроните на вътрешните обвивки на атоми с високо Z.

v) Некохерентно разсейване(Ефектът на Комптън, 1922) възниква, когато енергията на фотоните е много по-голяма от енергията на йонизация

В този случай електронът се отделя от атома (такива електрони се наричат откатни електрони), придобива някаква кинетична енергия E k, енергията на самия фотон намалява (фиг. 4г):

hv=hv" + A и + E k. (5)

Полученото излъчване с променена честота (дължина) се нарича втори, той се разпръсква във всички посоки.

Електроните на откат, ако имат достатъчна кинетична енергия, могат да йонизират съседни атоми чрез сблъсък. Така в резултат на некохерентно разсейване се образува вторично разсеяно рентгеново лъчение и атомите на веществото се йонизират.

Тези (a, b, c) процеси могат да причинят редица последващи. Например (фиг. 3d), ако по време на фотоелектричния ефект електроните се отделят от атома върху вътрешните обвивки, тогава на тяхно място могат да преминат електрони от по-високи нива, което е придружено от вторично характерно рентгеново лъчение на това вещество. Фотоните на вторичната радиация, взаимодействащи с електрони на съседни атоми, могат от своя страна да причинят вторични явления.

кохерентно разсейване

ъъъ енергията и дължината на вълната остават непроменени

фотоелектричен ефект

фотонът се абсорбира, е - отделя се от атома - йонизация

hv \u003d A и + E до

атом А се възбужда при поглъщане на фотон, R е рентгенова луминесценция

некохерентно разсейване

hv \u003d hv "+ A и + E до

вторични процеси във фотоелектричния ефект

Ориз. 3 Механизми на взаимодействие на рентгеновите лъчи с материята

Физическа основа за използването на рентгеновите лъчи в медицината

Когато рентгеновите лъчи попаднат върху тяло, те се отразяват леко от повърхността му, но основно преминават дълбоко, докато частично се абсорбират и разсейват, и частично преминават.

Законът за отслабването.

Рентгеновият поток се отслабва в материята съгласно закона:

F \u003d F 0 e -   x (6)

където  е линейно коефициент на затихване,което по същество зависи от плътността на веществото. Той е равен на сбора от три члена, съответстващи на кохерентно разсейване  1, некохерентно  2 и фотоелектричен ефект  3:

 =  1 +  2 +  3 . (7)

Приносът на всеки член се определя от енергията на фотона. По-долу са дадени съотношенията на тези процеси за меките тъкани (вода).

Енергия, keV	фотоелектричен ефект	Комптън - ефект

наслади се масов коефициент на затихване,което не зависи от плътността на веществото :

m = /. (осем)

Коефициентът на затихване на масата зависи от енергията на фотона и от атомния номер на поглъщащото вещество:

 m = k 3 Z 3 . (9)

Коефициентите на затихване на масата на костите и меките тъкани (вода) са различни:  m кост /  m вода = 68.

Ако по пътя на рентгеновите лъчи се постави нехомогенно тяло и пред него се постави флуоресцентен екран, то това тяло, поглъщайки и отслабвайки излъчването, образува сянка върху екрана. По естеството на тази сянка може да се съди за формата, плътността, структурата и в много случаи естеството на телата. Тези. значителна разлика в поглъщането на рентгеново лъчение от различни тъкани ви позволява да видите изображението на вътрешните органи в проекцията на сянка.

Ако изследваният орган и околните тъкани еднакво отслабват рентгеновото лъчение, тогава се използват контрастни вещества. Така например, напълвайки стомаха и червата с кашеста маса от бариев сулфат (BaSO 4 ), може да се види тяхното изображение на сянка (съотношението на коефициентите на затихване е 354).

Използване в медицината.

В медицината за диагностика се използва рентгеново лъчение с фотонна енергия от 60 до 100-120 keV, а за терапия 150-200 keV.

Рентгенова диагностика – Разпознаване на заболявания чрез просветляване на тялото с рентгенови лъчи.

Рентгеновата диагностика се използва в различни варианти, които са дадени по-долу.

С флуороскопиярентгеновата тръба се намира зад пациента. Пред него има флуоресцентен екран. На екрана има сянка (положително) изображение. Във всеки отделен случай се избира подходящата твърдост на излъчването, така че да преминава меки тъкани, но се усвоява достатъчно от плътните. В противен случай се получава еднаква сянка. На екрана сърцето, ребрата се виждат тъмни, белите дробове са светли.

Когато рентгенографияобектът се поставя върху касета, която съдържа филм със специална фотографска емулсия. Рентгеновата тръба се поставя върху обекта. Получената рентгенова снимка дава отрицателен образ, т.е. обратното за разлика от картината, наблюдавана по време на трансилюминация. При този метод има по-голяма яснота на изображението, отколкото в (1), следователно се наблюдават детайли, които е трудно да се видят при просветление.

Обещаващ вариант този методе рентгенова томографияи "машинна версия" - компютър томография.

3. С флуороскопия,Върху чувствителен филм с малък формат изображението от големия екран е фиксирано. Когато се гледат, снимките се разглеждат на специална лупа.

Рентгенова терапия- използването на рентгенови лъчи за унищожаване на злокачествени тумори.

Биологичният ефект на радиацията е да наруши жизнената дейност, особено бързо размножаващите се клетки.

КОМПЮТЪРНА ТОМОГРАФИЯ (КТ)

Методът на рентгеновата компютърна томография се основава на реконструкция на изображение на определен участък от тялото на пациента чрез регистриране Голям бройРентгенови проекции на този участък, направени под различни ъгли. Информацията от сензорите, които регистрират тези проекции, влиза в компютъра, който според специална програма изчисляваразпределение стегнатразмер на извадкатав изследваната секция и го извежда на екрана на дисплея. Полученото по този начин изображение на участъка от тялото на пациента се характеризира с отлична яснота и високо информационно съдържание. Програмата ви позволява да нараства контраст на изображението v десетки и дори стотици пъти. Това разширява диагностичните възможности на метода.

Видеооператори (апарати с цифрова обработка на рентгенови изображения) в съвременната стоматология.

В стоматологията рентгеновото изследване е основният диагностичен метод. Въпреки това, редица традиционни организационни и технически характеристики на рентгеновата диагностика я правят неудобна както за пациента, така и за денталните клиники. Това е на първо място необходимостта пациентът да влезе в контакт с йонизиращо лъчение, което често създава значително радиационно натоварване на тялото, също така е необходимостта от фотопроцес и следователно необходимостта от фотореактиви, в т.ч. токсични такива. Това е най-накрая обемист архив, тежки папки и пликове с рентгенови филми.

Освен това, сегашното ниво на развитие на стоматологията прави недостатъчна субективната оценка на рентгеновите снимки от човешкото око. Както се оказа, от разнообразието от нюанси на сивото, съдържащи се в рентгеновото изображение, окото възприема само 64.

Очевидно е, че за получаване на ясен и детайлен образ на твърдите тъкани на дентоалвеоларната система с минимално излагане на радиация са необходими други решения. Търсенето доведе до създаването на така наречените радиографски системи, видеооператори - цифрови радиографски системи.

Без технически подробности принципът на работа на такива системи е следният. Рентгеновото лъчение навлиза през обекта не върху фоточувствителен филм, а върху специален интраорален сензор (специална електронна матрица). Съответният сигнал от матрицата се предава към дигитализиращо устройство (аналогово-цифров преобразувател, ADC), което го преобразува в цифрова форма и е свързано към компютъра. Специален софтуер изгражда рентгеново изображение на екрана на компютъра и ви позволява да го обработите, да го запишете на твърд или гъвкав носител за съхранение (твърд диск, флопи дискове), да го отпечатате като картина като файл.

В цифрова система рентгеновото изображение е колекция от точки с различни цифрови стойности на сивата скала. Оптимизацията на информационния дисплей, предоставена от програмата, позволява да се получи оптимална рамка по отношение на яркостта и контраста при относително ниска доза радиация.

В съвременните системи, създадени например от Trophy (Франция) или Schick (САЩ), при оформянето на рамката се използват 4096 нюанса на сивото, времето на експозиция зависи от обекта на изследване и средно е стотни - десети от второ, намаляване на излагането на радиация по отношение на филма - до 90% за интраоралните системи, до 70% за панорамните видеооператори.

Когато обработват изображения, видеооператорите позволяват:

Вземете положителни и отрицателни изображения, изображения с фалшиви цветове, релефни изображения.

Увеличете контраста и увеличете зоната на интерес в изображението.

Оценява промените в плътността на зъбните тъкани и костни структури, контролира равномерността на запълване на канала.

В ендодонтията определете дължината на канала с всяка кривина, а в хирургията изберете размера на импланта с точност до 0,1 мм.

Уникалната система за детектор на кариес с елементи на изкуствен интелект по време на анализа на изображението ви позволява да откриете кариес в стадия на петна, коренов кариес и скрит кариес.

"F" във формула (3) се отнася до целия диапазон на излъчените дължини на вълната и често се нарича "интегрален енергиен поток".

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

ДЪРЖАВНА УЧЕБНА ИНСТИТУЦИЯ

ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

МОСКОВСКИЯ ДЪРЖАВЕН ИНСТИТУТ ПО СТОМАНА И СПЛАВИ

(ТЕХНОЛОГИЧЕН УНИВЕРСИТЕТ)

НОВОТРОИЦКИ КЛОН

Отдел на OEND

КУРСОВА РАБОТА

Дисциплина: Физика

Тема: Рентген

Ученик: Недорезова Н.А.

Група: EiU-2004-25, No З.К.: 04Н036

Проверено от: Ozhegova S.M.

Въведение

Глава 1

1.1 Биография на Рентген Вилхелм Конрад

1.2 Откриване на рентгенови лъчи

Глава 2

2.1 Източници на рентгенови лъчи

2.2 Свойства на рентгеновите лъчи

2.3 Регистрация на рентгенови лъчи

2.4 Използване на рентгенови лъчи

Глава 3

3.1 Анализ на несъвършенствата на кристалната структура

3.2 Спектърен анализ

Заключение

Списък на използваните източници

Приложения

Въведение

Рядък човек не е минавал през рентгенов кабинет. Снимките, направени с рентгенови лъчи, са познати на всеки. През 1995 г. това откритие е на 100 години. Трудно е да си представим какъв голям интерес е предизвикала преди век. В ръцете на човек се оказа апарат, с който е възможно да се види невидимото.

Това невидимо излъчване, способно да проникне, макар и в различна степен, във всички вещества, което е електромагнитно излъчване с дължина на вълната около 10 -8 cm, се нарича рентгеново лъчение в чест на Вилхелм Рентген, който го е открил.

Подобно на видимата светлина, рентгеновите лъчи причиняват почерняване на фотографския филм. Това свойство е от голямо значение за медицината, индустрията и научните изследвания. Преминавайки през изследвания обект и след това попадайки върху филма, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата сила на рентгеновите лъчи е различна за различни материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-ярки зони на снимката от тези, през които излъчването прониква добре. По този начин костните тъкани са по-малко прозрачни за рентгенови лъчи, отколкото тъканите, които изграждат кожата и вътрешните органи. Следователно на рентгеновата снимка костите ще бъдат обозначени като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-малко прозрачно за радиация, може да бъде открито доста лесно. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в индустрията за откриване на пукнатини в отливки, пластмаси и гуми, в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристалите .

Откритието на Рентген е последвано от експерименти на други изследователи, които откриват много нови свойства и възможности за използване на това излъчване. Голям принос имат M. Laue, W. Friedrich и P. Knipping, които през 1912 г. демонстрират дифракцията на рентгеновите лъчи, когато те преминават през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретява високовакуумна рентгенова тръба с нагрят катод; G. Moseley, който установява през 1913 г. връзката между дължината на вълната на радиацията и атомния номер на елемента; G. и L. Braggi, които получават Нобелова награда през 1915 г. за разработване на основите на рентгеновия дифракционен анализ.

Това срочна писмена работае да проучи феномена на рентгеновото лъчение, историята на откриването, свойствата и да идентифицира обхвата на неговото приложение.

Глава 1

1.1 Биография на Рентген Вилхелм Конрад

Вилхелм Конрад Рентген е роден на 17 март 1845 г. в граничния регион на Германия с Холандия, в град Ленепе. Той получава техническото си образование в Цюрих в същото висше техническо училище (Политехника), където по-късно учи Айнщайн. Страстта към физиката го принуждава след като напуска училище през 1866 г. да продължи физическото възпитание.

През 1868 г. защитава дисертация за степен доктор по философия, работи като асистент в катедрата по физика първо в Цюрих, след това в Гисен, а след това в Страсбург (1874-1879) при Кунд. Тук Рентген преминава през добра експериментална школа и става първокласен експериментатор. Рентген извършва част от важното изследване със своя ученик, един от основателите на съветската физика, А.Ф. Йофе.

Научните изследвания са свързани с електромагнетизма, кристалната физика, оптиката, молекулярната физика.

През 1895 г. той открива излъчване с дължина на вълната, по-къса от дължината на вълната на ултравиолетовите лъчи (рентгенови лъчи), наречени по-късно рентгенови лъчи, и изследва техните свойства: способността да отразяват, абсорбират, йонизират въздуха и т.н. Предложено правилен дизайнтръби за получаване на рентгенови лъчи - наклонен платинен антикатод и вдлъбнат катод: първият направи снимки с помощта на рентгенови лъчи. Той открива през 1885 г. магнитното поле на диелектрик, движещ се в електрическо поле (т.нар. "рентгенен ток"). Неговият опит ясно показва, че магнитното поле се създава от движещи се заряди и е важно за създаването на X. Лоренц електронна теория. Значителен брой трудове на Рентген са посветени на изучаването на свойствата на течности, газове, кристали, електромагнитни явления, открива връзката между електрическите и оптичните явления в кристалите. За откриването на лъчите, които носят неговото име, Рентген през 1901 г. е първият сред физиците, удостоен с Нобелова награда.

От 1900 г. до последните дни от живота си (умира на 10 февруари 1923 г.) работи в Мюнхенския университет.

1.2 Откриване на рентгенови лъчи

Краят на 19 век бе белязан от повишен интерес към явленията на преминаването на електричество през газове. Дори Фарадей сериозно се занимава с тези описани явления различни формиразряд, отвори тъмно пространство в светещ стълб от разреден газ. Тъмното пространство на Фарадей разделя синкавия катоден блясък от розовия аноден блясък.

По-нататъшното увеличаване на разреждането на газа значително променя естеството на сиянието. Математикът Плюкер (1801-1868) открива през 1859 г., при достатъчно силно разреждане, слабо синкав лъч лъчи, излизащ от катода, достигащ до анода и предизвикващ светене на стъклото на тръбата. Ученикът на Plücker Gittorf (1824-1914) през 1869 г. продължава изследванията на своя учител и показва, че върху флуоресцентната повърхност на тръбата се появява отчетлива сянка, ако между катода и тази повърхност се постави твърдо тяло.

Голдщайн (1850-1931), изучавайки свойствата на лъчите, ги нарича катодни лъчи (1876). Три години по-късно Уилям Крукс (1832-1919) доказа материалната природа на катодните лъчи и ги нарече "лъчиста материя" - вещество в специално четвърто състояние. Неговите доказателства бяха убедителни и ясни. Експерименти с "тръбата на Крукс" бяха демонстрирани. по-късно във всички физически класни стаи. Отклонението на катодния лъч от магнитно поле в тръба на Крукс се превърна в класическа училищна демонстрация.

Експериментите върху електрическото отклонение на катодните лъчи обаче не бяха толкова убедителни. Херц не засича такова отклонение и стига до извода, че катодният лъч е осцилаторен процес в етера. Ученикът на Херц Ф. Ленард, експериментирайки с катодните лъчи, показа през 1893 г., че те преминават през прозорец, покрит с алуминиево фолио, и предизвикват сияние в пространството зад прозореца. Херц посвещава последната си статия, публикувана през 1892 г., на феномена на преминаването на катодните лъчи през тънки метални тела.Тя започва с думите:

“Катодните лъчи се различават значително от светлината по отношение на способността им да проникват в твърди тела.” Описвайки резултатите от експериментите за преминаване на катодните лъчи през злато, сребро, платина, алуминий и др. листа, Херц отбелязва, че не е наблюдавайте някакви специални разлики в явленията Лъчите не преминават през листата по права линия, а се разсейват чрез дифракция. Природата на катодните лъчи все още беше неясна.

Именно с такива тръби на Крукс, Ленард и други експериментира професорът от Вюрцбург Вилхелм Конрад Рентген в края на 1895 г. Веднъж след края на експеримента той затваря тръбата с черен картонен капак, изключва светлината, но не изключи индуктора, който захранва тръбата, той забеляза сиянието на екрана от бариев цианоген, разположен близо до тръбата. Поразен от това обстоятелство, Рентген започна да експериментира с екрана. В първия си доклад „За нов вид лъчи“ от 28 декември 1895 г. той пише за тези първи експерименти: „Парче хартия, покрито с бариев платинен цианид, когато се приближи до тръба, затворена с капак от тънка черен цвят картон, който приляга достатъчно плътно към него, при всяко разреждане мига с ярка светлина: започва да флуоресцира. Флуоресценцията се вижда с достатъчно потъмняване и не зависи от това дали носим хартията със страничен слой, покрит с бариев синероген или не с бариев синероген. Флуоресценцията се забелязва дори на разстояние от два метра от тръбата.

Внимателното изследване показа на Рентген „че черен картон, прозрачен нито за видимите и ултравиолетовите лъчи на слънцето, нито за лъчите на електрическа дъга, е проникнат от някакъв вид агент, който причинява флуоресценция.“ Рентген изследва проникващата сила на този „ агент”, който той нарече за краткост „рентгенови лъчи”, за различни вещества. Открива, че лъчите свободно преминават през хартия, дърво, ебонит, тънки слоеве метал, но се забавят силно от олово.

След това той описва сензационното преживяване:

„Ако държите ръката си между изпускателната тръба и екрана, можете да видите тъмните сенки на костите в бледите очертания на сянката на самата ръка.” Това беше първото рентгеново изследване на човешкото тяло. Рентген също получи първите рентгенови лъчи, като ги прикрепи към ръката си.

Тези кадри направиха огромно впечатление; откритието все още не беше завършено, а рентгеновата диагностика вече беше започнала своя път. „Лабораторията ми беше наводнена от лекари, които довеждаха пациенти, които подозираха, че имат игли в различни части на тялото си“, пише той. английски физикШустър.

Още след първите експерименти Рентген твърдо установи, че рентгеновите лъчи се различават от катодните, те не носят заряд и не се отклоняват от магнитно поле, но се възбуждат от катодните лъчи. „Рентгеновите лъчи не са идентични с катодните лъчи, но те се възбуждат от тях в стъклените стени на разрядната тръба”, пише Рентген.

Той също така установи, че те се вълнуват не само в стъклото, но и в металите.

Споменавайки хипотезата на Херц-Ленард, че катодните лъчи „са феномен, възникващ в етера“, Рентген посочва, че „можем да кажем нещо подобно за нашите лъчи“. Той обаче не успява да открие вълновите свойства на лъчите, те „се държат по различен начин от известните досега ултравиолетови, видими, инфрачервени лъчи.” По своите химически и луминесцентни действия, според Рентген, те са подобни на ултравиолетовите лъчи. В първото съобщение , той изрази по-късното предположение, че може да са надлъжни вълнив ефир.

Откритието на Рентген предизвиква голям интерес в научния свят. Неговите експерименти се повтарят в почти всички лаборатории по света. В Москва те бяха повторени от П.Н. Лебедев. В Санкт Петербург изобретателят на радиото A.S. Попов експериментира с рентгенови лъчи, демонстрира ги на публични лекции, получавайки различни рентгенови лъчи. В Кеймбридж D.D. Томсън незабавно приложи йонизиращия ефект на рентгеновите лъчи, за да проучи преминаването на електричество през газове. Неговите изследвания доведоха до откриването на електрона.

Глава 2

Рентгеново лъчение - електромагнитно йонизиращо лъчение, заемащо спектралната област между гама и ултравиолетово лъчение в дължини на вълната от 10 -4 до 10 3 (от 10 -12 до 10 -5 cm).R. л. с дължина на вълната λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - мека.

2.1 Източници на рентгенови лъчи

Най-често срещаният източник на рентгенови лъчи е рентгеновата тръба. - електровакуумно устройство служи като източник на рентгенови лъчи. Такова излъчване възниква, когато електроните, излъчвани от катода, се забавят и ударят анода (антикатод); в този случай енергията на електроните, ускорени от силно електрическо поле в пространството между анода и катода, частично се превръща в енергия на рентгенови лъчи. Излъчването на рентгеновата тръба е наслагване на спирачното рентгеново лъчение върху характерното излъчване на материала на анода. Рентгеновите тръби се разграничават: според метода за получаване на електронен поток - с термоелектронен (нагрят) катод, полеви емисионен (заострен) катод, катод, бомбардиран с положителни йони и с радиоактивен (β) електронен източник; по метода на вакуумиране - запечатани, сгъваеми; според времето на излъчване - непрекъснато действие, импулсно; според вида на анодно охлаждане - с водно, маслено, въздушно, радиационно охлаждане; според размера на фокуса (облъчване на анода) - макрофокус, остър фокус и микрофокус; според формата му - пръстен, кръгъл, линеен; по метода на фокусиране на електрони върху анода - с електростатично, магнитно, електромагнитно фокусиране.

Рентгеновите тръби се използват при рентгеноструктурен анализ (Приложение 1), Рентгенов спектрален анализ, откриване на дефекти (Приложение 1), Рентгенова диагностика (Приложение 1), лъчетерапия , рентгенова микроскопия и микрорентгенография. Запечатаните рентгенови тръби с термионичен катод, анод с водно охлаждане и електростатична система за фокусиране на електрони са най-широко използвани във всички области (Приложение 2). Термионният катод на рентгеновите тръби обикновено е спирална или права нишка от волфрамова тел, нагрявана от електрически ток. Работната секция на анода - метална огледална повърхност - е разположена перпендикулярно или под някакъв ъгъл спрямо потока на електроните. За получаване на непрекъснат спектър на рентгеново лъчение с високи енергии и интензитет се използват аноди от Au, W; В структурния анализ се използват рентгенови тръби с Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Основните характеристики на рентгеновите тръби са максимално допустимото ускорително напрежение (1-500 kV), електронен ток (0,01 mA - 1A), специфична мощност, разсейвана от анода (10-10 4 W / mm 2), обща консумация на енергия (0,002 W - 60 kW) и размери на фокуса (1 µm - 10 mm). Ефективността на рентгеновата тръба е 0,1-3%.

Някои радиоактивни изотопи също могат да служат като източници на рентгенови лъчи. : някои от тях директно излъчват рентгенови лъчи, ядреното излъчване на други (електрони или λ-частици) бомбардират метална мишена, която излъчва рентгенови лъчи. Интензитетът на рентгенови лъчи на изотопните източници е с няколко порядъка по-малък от интензитета на радиация на рентгенова тръба, но размерите, теглото и цената на изотопните източници са несравнимо по-малки от тези с рентгенова тръба.

Синхротроните и пръстените за съхранение на електрони с енергия от няколко GeV могат да служат като източници на меки рентгенови лъчи с λ от порядъка на десетки и стотици. По интензитет рентгеновото лъчение на синхротроните надвишава излъчването на рентгенова тръба в определената област на спектъра с 2-3 порядъка.

Естествени източници на рентгенови лъчи - Слънцето и други космически обекти.

2.2 Свойства на рентгеновите лъчи

В зависимост от механизма на произход на рентгеновите лъчи, техните спектри могат да бъдат непрекъснати (спирателни лъчи) или линейни (характерни). Непрекъснат рентгенов спектър се излъчва от бързо заредени частици в резултат на тяхното забавяне при взаимодействие с целеви атоми; този спектър достига значителен интензитет само когато целта е бомбардирана с електрони. Интензитетът на спирачните рентгенови лъчи се разпределя по всички честоти до високочестотната граница 0 , при която енергията на фотона h 0 (h е константа на Планк ) е равна на енергията eV на бомбардиращите електрони (e е зарядът на електрона, V е потенциалната разлика на ускоряващото поле, преминало покрай тях). Тази честота съответства на късовълновия край на спектъра 0 = hc/eV (c е скоростта на светлината).

Линейното излъчване възниква след йонизация на атом с изхвърляне на електрон от една от вътрешните му обвивки. Такава йонизация може да бъде резултат от сблъсък на атом с бърза частица, като електрон (първични рентгенови лъчи), или поглъщане на фотон от атом (флуоресцентни рентгенови лъчи). Йонизираният атом се намира в начално квантово състояние на едно от високите енергийни нива и след 10 -16 -10 -15 секунди преминава в крайно състояние с по-ниска енергия. В този случай един атом може да излъчва излишък от енергия под формата на фотон с определена честота. Честотите на линиите на спектъра на такова излъчване са характерни за атомите на всеки елемент, поради което линейният рентгенов спектър се нарича характеристика. Зависимостта на линейната честота на този спектър от атомния номер Z се определя от закона на Мозли.

Законът на Мозли, законът, свързващ честотата на спектралните линии на характерното рентгеново излъчване на химичен елемент с неговия пореден номер. G. Moseley експериментално инсталиран през 1913 г. Съгласно закона на Мозли корен квадратен от честотата  на спектралната линия на характеристичното излъчване на елемент е линейна функция на неговия пореден номер Z:

където R е константата на Ридберг , S n - екранираща константа, n - главно квантово число. На диаграмата на Мозли (Приложение 3) зависимостта от Z е поредица от прави линии (K-, L-, M- и др. серии, съответстващи на стойностите n = 1, 2, 3,.).

Законът на Мозли беше неопровержимо доказателство за правилното разположение на елементите в периодичната таблица на елементите DI. Менделеев и допринесе за изясняване на физическия смисъл на З.

В съответствие със закона на Мозли, спектрите на рентгеновите характеристики не показват периодичните модели, присъщи на оптичните спектри. Това показва, че вътрешните електронни обвивки на атомите на всички елементи, които се появяват в характерните рентгенови спектри, имат подобна структура.

По-късни експерименти разкриха някои отклонения от линейната зависимост за преходните групи елементи, свързани с промяна в реда на запълване на външните електронни обвивки, както и за тежките атоми в резултат на релативистки ефекти (условно обяснени с факта, че скоростите на вътрешните са сравними със скоростта на светлината).

В зависимост от редица фактори - от броя на нуклоните в ядрото (изотонично изместване), състоянието на външните електронни обвивки (химическо изместване) и др. - позицията на спектралните линии на диаграмата на Мозли може да се промени донякъде. Изучаването на тези измествания позволява да се получи подробна информация за атома.

Рентгеновите лъчи на спирачно лъчение, излъчвани от много тънки мишени, са напълно поляризирани близо до 0; когато 0 намалява, степента на поляризация намалява. Характерното излъчване, като правило, не е поляризирано.

Когато рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, може да възникне фотоелектричен ефект. , придружаващ поглъщането на рентгенови лъчи и тяхното разсейване, фотоелектричният ефект се наблюдава, когато атом, поглъщайки рентгенов фотон, изхвърля един от вътрешните си електрони, след което може или да извърши радиационен преход, излъчвайки фотон с характеристика радиация или изхвърляне на втори електрон по време на нерадиационен преход (Електрон на Оже). Под действието на рентгенови лъчи върху неметални кристали (например върху каменна сол) в някои възли на атомната решетка се появяват йони с допълнителен положителен заряд, а близо до тях се появяват излишни електрони. Такива нарушения в структурата на кристалите, наречени рентгенови екситони , са цветни центрове и изчезват само при значително повишаване на температурата.

Когато рентгеновите лъчи преминават през слой от вещество с дебелина x, първоначалният им интензитет I 0 намалява до стойността I = I 0 e - μ x, където μ е коефициентът на затихване. Затихването на I се дължи на два процеса: поглъщане на рентгенови фотони от материята и промяна в посоката им при разсейване. В дълговълновата област на спектъра преобладава поглъщането на рентгенови лъчи, в късовълновата - тяхното разсейване. Степента на абсорбция нараства бързо с увеличаване на Z и λ. Например, твърдите рентгенови лъчи свободно проникват през слой въздух ~ 10 cm; алуминиева плоча с дебелина 3 cm отслабва рентгеновите лъчи с λ = 0,027 наполовина; меките рентгенови лъчи се абсорбират значително във въздуха и тяхното използване и изследване е възможно само във вакуум или в слабо абсорбиращ газ (например He). Когато рентгеновите лъчи се абсорбират, атомите на веществото се йонизират.

Въздействието на рентгеновите лъчи върху живите организми може да бъде полезно или вредно, в зависимост от йонизацията, която причиняват в тъканите. Тъй като поглъщането на рентгеновите лъчи зависи от λ, тяхната интензивност не може да служи като мярка за биологичния ефект на рентгеновите лъчи. Рентгеновите измервания се използват за измерване на ефекта на рентгеновите лъчи върху материята. , мерната единица е рентген

Разсейването на рентгеновите лъчи в областта на големи Z и λ протича главно без промяна в λ и се нарича кохерентно разсейване, а в областта на малки Z и λ като правило се увеличава (некохерентно разсейване). Има 2 вида некохерентно разсейване на рентгенови лъчи – Комптън и Раман. При комптоновото разсейване, което има характера на нееластично корпускуларно разсейване, електрон на откат излита от атомната обвивка поради енергията, частично загубена от рентгеновия фотон. В този случай енергията на фотона намалява и посоката му се променя; промяната на λ зависи от ъгъла на разсейване. По време на Раманово разсейване на високоенергиен рентгенов фотон от лек атом, малка част от неговата енергия се изразходва за йонизация на атома и посоката на движение на фотона се променя. Промяната на такива фотони не зависи от ъгъла на разсейване.

Показателят на пречупване n за рентгеновите лъчи се различава от 1 с много малко количество δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Фазовата скорост на рентгеновите лъчи в среда е по-голяма от скоростта на светлината във вакуум. Отклонението на рентгеновите лъчи при прехода от една среда към друга е много малко (няколко дъгови минути). Когато рентгеновите лъчи падат от вакуум върху повърхността на тялото под много малък ъгъл, настъпва тяхното пълно външно отражение.

2.3 Регистрация на рентгенови лъчи

Човешкото око не е чувствително към рентгенови лъчи. Рентгенов

лъчите се записват с помощта на специален рентгенов филм, съдържащ повишено количество Ag, Br. В района λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, чувствителността на обикновения положителен филм е доста висока и неговите зърна са много по-малки от зърната на рентгеновия филм, което увеличава разделителната способност. При λ от порядъка на десетки и стотици, рентгеновите лъчи действат само върху най-тънкия повърхностен слой на фотографската емулсия; за да се увеличи чувствителността на филма, той се сенсибилизира с луминисцентни масла. При рентгенова диагностика и откриване на дефекти понякога се използва електрофотография за запис на рентгенови лъчи. (електрорентгенография).

Рентгеновите лъчи с висок интензитет могат да бъдат записани с помощта на йонизационна камера (Приложение 4), рентгенови лъчи със среден и нисък интензитет при λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком с NaI (Tl) кристал (Приложение 5), при 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Приложение 6) и запоен пропорционален брояч (Приложение 7), на 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Приложение 8). В областта на много големи λ (от десетки до 1000) могат да се използват вторични електронни умножители от отворен тип с различни фотокатоди на входа за запис на рентгенови лъчи.

2.4 Използване на рентгенови лъчи

Повечето широко приложениерентгенови лъчи, открити в медицината за рентгенова диагностика и лъчетерапия . Рентгеновото откриване на дефекти е важно за много клонове на технологиите. , например, за откриване на вътрешни дефекти в отливки (черупки, шлакови включвания), пукнатини в релси, дефекти в заварки.

Рентгеноструктурен анализ ви позволява да установите пространственото подреждане на атомите в кристалната решетка на минерали и съединения, в неорганични и органични молекули. Въз основа на множество атомни структури, които вече са дешифрирани, може да се реши и обратната задача: според рентгеновата картина поликристално вещество, например легирана стомана, сплав, руда, лунна почва, може да се установи кристалният състав на това вещество, т.е. беше извършен фазов анализ. Многобройни приложения на R. l. радиографията на материалите се използва за изследване на свойствата на твърдите тела .

Рентгенова микроскопия позволява например да се получи изображение на клетка, микроорганизъм, да се види тяхната вътрешна структура. Рентгенова спектроскопия използвайки рентгенови спектри, той изучава енергийното разпределение на плътността на електронните състояния в различни вещества, изследва естеството на химическата връзка и открива ефективния заряд на йоните в твърдите тела и молекулите. Спектрален рентгенов анализ по позицията и интензитета на линиите на характерния спектър ви позволява да определите качествения и количествения състав на веществото и се използва за експресен неразрушаващ контрол на състава на материалите в металургични и циментови заводи, преработвателни предприятия. При автоматизирането на тези предприятия рентгеновите спектрометри и квантометри се използват като сензори за състава на веществото.

Рентгеновите лъчи, идващи от космоса, носят информация за химичния състав на космическите тела и за физическите процеси, протичащи в космоса. Рентгеновата астрономия се занимава с изучаване на космическите рентгенови лъчи . Мощните рентгенови лъчи се използват в радиационната химия за стимулиране на определени реакции, полимеризацията на материалите и напукването на органични вещества. Рентгеновите лъчи се използват и за откриване на древни картини, скрити под слой от късна живопис, в хранителната индустрия за откриване на чужди предмети, случайно попаднали в хранителни продукти, в криминалистиката, археологията и др.

Глава 3

Една от основните задачи на рентгеновия дифракционен анализ е определянето на реалния или фазовия състав на материала. Методът на рентгенова дифракция е директен и се характеризира с висока надеждност, бързина и относителна евтиност. Методът не изисква голямо количество вещество, анализът може да се извърши без унищожаване на частта. Областите на приложение на качествения фазов анализ са много разнообразни както за научни изследвания, така и за контрол в производството. Можете да проверите състава на суровините от металургичното производство, продуктите от синтеза, обработката, резултата от фазовите промени по време на термична и химико-термична обработка, да анализирате различни покрития, тънки филми и др.

Всяка фаза, имаща собствена кристална структура, се характеризира с определен набор от дискретни стойности на междуплоскостните разстояния d/n от максимума и отдолу, присъщи само на тази фаза. Както следва от уравнението на Wulf-Bragg, всяка стойност на междупланарното разстояние съответства на линия на рентгеновата картина от поликристална проба под определен ъгъл θ (при дадена стойност на дължината на вълната λ). По този начин, определена система от линии (дифракционни максимуми) ще съответства на определен набор от междупланарни разстояния за всяка фаза на рентгеновата дифракционна картина. Относителният интензитет на тези линии в рентгеновата картина зависи преди всичко от структурата на фазата. Следователно, като се определи местоположението на линиите върху рентгеновото изображение (неговия ъгъл θ) и се знае дължината на вълната на радиацията, върху която е направено рентгеновото изображение, е възможно да се определят стойностите на междупланарните разстояния d/n, използвайки формулата на Wulf-Bragg:

/n = λ/ (2sin θ). (един)

След като се определи наборът от d/n за изследвания материал и се сравнява с известните по-рано данни за d/n за чисти вещества, техните различни съединения, е възможно да се установи коя фаза представлява този материал. Трябва да се подчертае, че се определят фазите, а не химичният състав, но последният понякога може да бъде изведен, ако има допълнителни данни за елементния състав на дадена фаза. Задачата на качествения фазов анализ се улеснява значително, ако е известен химическият състав на изследвания материал, тъй като тогава е възможно да се направят предварителни предположения за възможните фази в този случай.

Ключът към фазовия анализ е точното измерване на d/n и интензитета на линията. Въпреки че по принцип това е по-лесно да се постигне с дифрактометър, фотометода за качествен анализ има някои предимства, главно по отношение на чувствителността (способността да се открие наличието на малко количество фаза в пробата), както и простотата на експерименталната техника.

Изчисляването на d/n от рентгеновата картина се извършва с помощта на уравнението на Wulf-Bragg.

Като стойност на λ в това уравнение обикновено се използва λ α cf K-серия:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Понякога се използва линията K α1. Определянето на ъглите на дифракция θ за всички рентгенови линии ви позволява да изчислите d / n според уравнение (1) и да разделите β-линиите (ако няма филтър за (β-лъчи).

3.1 Анализ на несъвършенствата на кристалната структура

Всички реални монокристални и още повече поликристални материали съдържат определени структурни несъвършенства (точкови дефекти, дислокации, различни видове интерфейси, микро- и макронапрежения), които имат много силен ефект върху всички структурно-чувствителни свойства и процеси.

Структурните несъвършенства причиняват изкривявания на кристалната решетка от различно естество и в резултат на това различен типпромени в дифракционната картина: промяната в междуатомните и междупланарните разстояния причинява изместване на дифракционните максимуми, микронапреженията и дисперсията на субструктурата водят до разширяване на дифракционните максимуми, микроизкривяванията на решетката водят до промяна в интензитета на тези максимуми, наличието на дислокации причинява аномални явления при преминаване на рентгенови лъчи и следователно локални нехомогенности на контраста върху рентгенови топограми и др.

В резултат на това рентгеновият дифракционен анализ е един от най-информативните методи за изследване на структурните несъвършенства, техния вид и концентрация и естеството на тяхното разпространение.

Традиционният директен метод за дифракция на рентгенови лъчи, който се прилага на стационарни дифрактометри, поради техните конструктивни особености, позволява количествено определяне на напреженията и деформациите само върху малки проби, изрязани от части или предмети.

Ето защо в момента има преход от стационарни към преносими рентгенови дифрактометри с малки размери, които осигуряват оценка на напреженията в материала на части или предмети без разрушаване на етапите на тяхното производство и експлоатация.

Преносимите рентгенови дифрактометри от серия DRP * 1 позволяват да се контролират остатъчни и ефективни напрежения в големи части, продукти и конструкции без разрушаване

Програмата в средата на Windows позволява не само да се определят напреженията по метода "sin 2 ψ" в реално време, но и да се следи промяната във фазовия състав и текстура. Линеен координатен детектор осигурява едновременна регистрация при ъгли на дифракция 2θ = 43°. Рентгенови тръби с малък размер от типа "Фокс" с висока осветеност и ниска мощност (5 W) осигуряват радиологична безопасност на апарата, в който на разстояние 25 см от облъчената зона нивото на радиация е равно на нивото на естествения фон. Устройствата от серията DRP се използват за определяне на напреженията на различни етапи на металообработване, рязане, шлайфане, термична обработка, заваряване, повърхностно втвърдяване с цел оптимизиране на тези технологични операции. Контролът върху спада на нивото на индуцираните остатъчни напрежения на натиск в особено критични продукти и конструкции по време на тяхната експлоатация позволява извеждането на продукта от експлоатация преди неговото унищожаване, предотвратявайки възможни аварии и катастрофи.

3.2 Спектърен анализ

Заедно с определянето на атомната кристална структура и фазовия състав на материала за него пълни характеристикизадължително е да се определи химичния му състав.

Все по-често за тези цели на практика се използват различни т. нар. инструментални методи за спектрален анализ. Всеки от тях има своите предимства и приложения.

Едно от важните изисквания в много случаи е използваният метод да гарантира безопасността на анализирания обект; Именно тези методи за анализ са разгледани в този раздел. Следващият критерий, според който са избрани методите за анализ, описани в този раздел, е тяхното местоположение.

Методът на флуоресцентен рентгенов спектрален анализ се основава на проникването на доста твърда рентгенова радиация (от рентгенова тръба) в анализирания обект, проникваща в слой с дебелина от порядъка на няколко микрометра. Характерното рентгеново лъчение, възникващо в този случай в обекта, дава възможност да се получат осреднени данни за неговия химичен състав.

За да се определи елементният състав на веществото, може да се използва анализът на характерния рентгенов спектър на проба, поставена върху анода на рентгенова тръба и подложена на електронно бомбардиране - емисионният метод или анализът на спектъра на вторично (флуоресцентно) рентгеново лъчение на проба, подложена на облъчване с твърди рентгенови лъчи от рентгенова тръба или друг източник - флуоресцентен метод.

Недостатъкът на емисионния метод е, първо, необходимостта от поставяне на пробата върху анода на рентгеновата тръба, последвано от изпомпване с вакуумни помпи; очевидно този метод е неподходящ за топими и летливи вещества. Вторият недостатък е свързан с факта, че дори огнеупорните обекти се повреждат от електронна бомбардировка. Флуоресцентният метод е лишен от тези недостатъци и следователно има много по-широко приложение. Предимството на флуоресцентния метод е и липсата на спирачно лъчение, което подобрява чувствителността на анализа. Сравнението на измерените дължини на вълните с таблици на спектралните линии на химичните елементи е в основата на качествен анализ, а относителните интензитети на спектралните линии на различни елементи, които образуват веществото на пробата, са в основата на количествения анализ. От разглеждането на механизма на възбуждане на характеристично рентгеново лъчение става ясно, че излъчванията от една или друга серия (K или L, M и др.) възникват едновременно и съотношението на интензитетите на линиите в серията винаги е постоянен. Следователно наличието на този или онзи елемент се установява не от отделни линии, а от поредица от линии като цяло (с изключение на най-слабите, като се вземе предвид съдържанието на този елемент). За относително леки елементи се използва анализът на линиите от серия K, а за тежките елементи на линиите от серия L; при различни условия (в зависимост от използваното оборудване и от анализираните елементи) различни области на характеристичния спектър могат да бъдат най-удобни.

Основните характеристики на рентгеновия спектрален анализ са както следва.

Опростеност на спектрите на рентгеновите характеристики дори за тежки елементи (в сравнение с оптичните спектри), което опростява анализа (малък брой линии; сходство във взаимното им подреждане; с увеличаване на порядковия номер, редовно изместване на спектъра към възниква късовълнов регион; сравнителна простота на количествения анализ).

Независимост на дължините на вълната от състоянието на атомите на анализирания елемент (свободен или в химично съединение). Това се дължи на факта, че появата на характерно рентгеново лъчение е свързано с възбуждането на вътрешни електронни нива, които в повечето случаи практически не се променят със степента на йонизация на атомите.

Възможността за разделяне при анализа на редкоземни и някои други елементи, които имат малки разлики в спектрите в оптичния диапазон поради сходството на електронната структура на външните обвивки и се различават много малко по своите химични свойства.

Рентгеновата флуоресцентна спектроскопия е „неразрушаваща“, така че има предимство пред конвенционалната оптична спектроскопия при анализ на тънки проби – тънък метален лист, фолио и др.

Рентгенови флуоресцентни спектрометри, сред които многоканални спектрометри или квантометри, осигуряващи експресен количествен анализ на елементи (от Na или Mg до U) с грешка по-малка от 1% от определената стойност, праг на чувствителност от 10 -3 ... 10-4% .

рентгенов лъч

Методи за определяне на спектралния състав на рентгеновите лъчи

Спектрометрите са разделени на два вида: кристално-дифракционни и безкристални.

Разлагането на рентгеновите лъчи в спектър с помощта на естествена дифракционна решетка - кристал - по същество е подобно на получаването на спектър от обикновени светлинни лъчи с помощта на изкуствена дифракционна решетка под формата на периодични щрихи върху стъкло. Условието за образуване на дифракционен максимум може да се запише като условие за "отражение" от система от паралелни атомни равнини, разделени от разстояние d hkl .

При извършване на качествен анализ може да се прецени наличието на елемент в пробата по една линия - обикновено най-интензивната линия от спектралната серия, подходяща за даден кристал на анализатора. Разделителната способност на спектрометрите за кристална дифракция е достатъчна за разделяне на характерни линии дори на елементи, съседни на позиция в периодичната таблица. Необходимо е обаче да се вземе предвид и налагането на различни линии от различни елементи, както и налагането на отражения от различни порядки. Това обстоятелство трябва да се има предвид при избора на аналитични линии. В същото време е необходимо да се използват възможностите за подобряване на разделителната способност на инструмента.

Заключение

По този начин рентгеновите лъчи са невидимо електромагнитно излъчване с дължина на вълната 10 5 - 10 2 nm. Рентгеновите лъчи могат да проникнат в някои материали, които са непрозрачни за видимата светлина. Те се излъчват при забавяне на бързи електрони в материята (непрекъснат спектър) и при преходи на електрони от външните електронни обвивки на атома към вътрешните (линеен спектър). Източници на рентгеново лъчение са: рентгенова тръба, някои радиоактивни изотопи, ускорители и акумулатори на електрони (синхротронно лъчение). Приемници - филмови, луминесцентни екрани, детектори за ядрени лъчения. Рентгеновите лъчи се използват в рентгенов дифракционен анализ, медицина, откриване на дефекти, рентгенов спектрален анализ и др.

След като разгледахме положителните страни на откритието на В. Рентген, е необходимо да се отбележи неговото вредно биологично действие. Оказа се, че рентгеновите лъчи могат да причинят нещо като тежко слънчево изгаряне (еритема), придружено обаче от по-дълбоко и трайно увреждане на кожата. Появяващите се язви често се превръщат в рак. В много случаи трябваше да се ампутират пръсти или ръце. Имаше и смъртни случаи.

Установено е, че увреждането на кожата може да бъде избегнато чрез намаляване на времето на експозиция и дозата, като се използват екраниращи (напр. олово) и дистанционни управления. Но постепенно се разкриват други, по-дългосрочни ефекти от излагането на рентгенови лъчи, които след това са потвърдени и изследвани при опитни животни. Ефектите, дължащи се на рентгенови лъчи и други йонизиращи лъчения (като гама лъчи, излъчвани от радиоактивни материали) включват:

) временни промени в състава на кръвта след относително малко излишно излагане;

) необратими промени в състава на кръвта (хемолитична анемия) след продължителна прекомерна експозиция;

) увеличаване на честотата на рак (включително левкемия);

) по-бързо стареене и ранна смърт;

) поява на катаракта.

Биологичното въздействие на рентгеновите лъчи върху човешкото тяло се определя от нивото на дозата на радиация, както и от това кой отделен орган на тялото е бил изложен на радиация.

Натрупването на знания за въздействието на рентгеновите лъчения върху човешкия организъм доведе до разработването на национални и международни стандарти за допустими дози на облъчване, публикувани в различни справочни издания.

За да се избегнат вредните ефекти на рентгеновите лъчи, се използват методи за контрол:

) наличие на подходящо оборудване,

) наблюдение на спазването на правилата за безопасност,

) правилно използване на оборудването.

Списък на използваните източници

1) Блохин М.А., Физика на рентгеновите лъчи, 2-ро изд., М., 1957 г.;

) Blokhin M.A., Методи за рентгенови спектрални изследвания, M., 1959;

) Рентгенови лъчи. сб. изд. M.A. Блохин, прев. с него. и английски, М., 1960;

) Хараджа Ф., Общ курс по рентгенова техника, 3-то изд., М. - Л., 1966;

) Mirkin L.I., Наръчник по рентгенов дифракционен анализ на поликристали, М., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Референтни таблици за рентгенова спектроскопия, M., 1953.

) Рентгенов и електронно-оптичен анализ. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Помощ за университети. - 4-то изд. Добавете. И преработвател. - М.: "МИСиС", 2002. - 360 с.

Приложения

Приложение 1

Общ изглед на рентгенови тръби

Приложение 2

Схема на рентгенова тръба за структурен анализ

Схема на рентгенова тръба за структурен анализ: 1 - метално анодно стъкло (обикновено заземено); 2 - прозорци от берилий за извеждане на рентгенови лъчи; 3 - термионен катод; 4 - стъклена крушка, изолираща анодната част на тръбата от катода; 5 - катодни изводи, към които се прилага напрежението на нажежаемата жичка, както и високо (по отношение на анода) напрежение; 6 - електростатична система за фокусиране на електрони; 7 - анод (антикатод); 8 - разклонителни тръби за вход и изход на течаща вода, охлаждаща анодното стъкло.

Приложение 3

Диаграма на Мозли

Диаграма на Мозли за K-, L- и M-серии от характерни рентгенови лъчи. Абсцисата показва поредния номер на елемента Z, ординатата - ( Се скоростта на светлината).

Приложение 4

Йонизационна камера.

Фиг. 1. Разрез на цилиндрична йонизационна камера: 1 - цилиндрично тяло на камерата, което служи като отрицателен електрод; 2 - цилиндричен прът, служещ като положителен електрод; 3 - изолатори.

Ориз. 2. Схема на включване на токовата йонизационна камера: V - напрежение на електродите на камерата; G е галванометър, който измерва йонизационния ток.

Ориз. 3. Токово-волтова характеристика на йонизационната камера.

Ориз. 4. Схема на включване на импулсната йонизационна камера: С - капацитет на събирателния електрод; R е съпротивление.

Приложение 5

Сцинтилационен брояч.

Схема на сцинтилационен брояч: светлинни кванти (фотони) "избиват" електрони от фотокатода; движейки се от динод на динод, електронната лавина се умножава.

Приложение 6

Брояч на Гайгер-Мюлер.

Ориз. 1. Схема на стъклен брояч на Гайгер-Мюлер: 1 - херметически затворена стъклена тръба; 2 - катод (тънък слой мед върху тръба от неръждаема стомана); 3 - изход на катода; 4 - анод (тънка опъната нишка).

Ориз. 2. Схема на включване на брояча на Гайгер-Мюлер.

Ориз. 3. Бройна характеристика на брояча на Гайгер-Мюлер.

Приложение 7

пропорционален брояч.

Схема на пропорционален брояч: а - област на електронен дрейф; b - зона на усилване на газа.

Приложение 8

Полупроводникови детектори

Полупроводникови детектори; чувствителната зона е подчертана чрез щриховане; n - област на полупроводник с електронна проводимост, p - с отвор, i - със собствена проводимост; а - силициев детектор за повърхностна бариера; b - дрейф германий-литиев планарен детектор; в - германий-литиев коаксиален детектор.

Рентгеновото лъчение, от гледна точка на физиката, е електромагнитно лъчение, чиято дължина на вълната варира в диапазона от 0,001 до 50 нанометра. Открит е през 1895 г. от немския физик W.K. Roentgen.

По природа тези лъчи са свързани със слънчевия ултравиолетов. Радиовълните са най-дългите в спектъра. Те са последвани от инфрачервена светлина, която очите ни не възприемат, но я усещаме като топлина. Следват лъчите от червено до лилаво. След това - ултравиолетови (A, B и C). А точно зад него са рентгенови и гама лъчи.

Рентгеновите лъчи могат да се получат по два начина: чрез забавяне на преминаващите през него заредени частици и чрез преминаване на електрони от горните слоеве към вътрешните при освобождаване на енергия.

За разлика от видимата светлина, тези лъчи са много дълги, така че са в състояние да проникват в непрозрачни материали, без да се отразяват, пречупват или натрупват в тях.

Спирачното лъчение е по-лесно за получаване. Заредените частици излъчват електромагнитно излъчване при спиране. Колкото по-голямо е ускорението на тези частици и следователно, колкото по-рязко е забавянето, толкова повече рентгенови лъчи се произвеждат и дължината на вълните му става по-къса. В повечето случаи на практика прибягват до генериране на лъчи в процеса на забавяне на електроните в твърдите тела. Това ви позволява да контролирате източника на това излъчване, като избягвате опасността от излагане на радиация, тъй като при изключване на източника рентгеновото излъчване напълно изчезва.

Най-често срещаният източник на такова излъчване - Излъчената от него радиация е нехомогенна. Съдържа както мека (дълга вълна), така и твърда (късовълнова) радиация. Мекият се характеризира с това, че се абсорбира напълно от човешкото тяло, поради което такова рентгеново лъчение причинява двойно повече вреда от твърдото. При прекомерно електромагнитно излъчване в тъканите на човешкото тяло йонизацията може да увреди клетките и ДНК.

Тръбата е с два електрода - отрицателен катод и положителен анод. Когато катодът се нагрява, електроните се изпаряват от него, след което се ускоряват в електрическо поле. Сблъсквайки се с твърдото вещество на анодите, те започват да забавят скоростта, което е придружено от излъчване на електромагнитно излъчване.

Рентгеновото лъчение, чиито свойства се използват широко в медицината, се основава на получаване на изображение в сянка на изследвания обект на чувствителен екран. Ако диагностицираният орган е осветен с лъч лъчи, успоредни един на друг, тогава проекцията на сенките от този орган ще се предава без изкривяване (пропорционално). На практика източникът на радиация е по-скоро точков източник, така че се намира на разстояние от човека и от екрана.

За приемане на човек се поставя между рентгеновата тръба и екрана или филма, действащ като приемник на радиация. В резултат на облъчване костите и други плътни тъкани се появяват в изображението като ясни сенки, изглеждат по-контрастни на фона на по-малко изразителни зони, които предават тъкани с по-малко абсорбиране. На рентгеновите лъчи човек става "прозрачен".

Тъй като рентгеновите лъчи се разпространяват, те могат да бъдат разпръснати и абсорбирани. Преди да се абсорбират, лъчите могат да пътуват стотици метри във въздуха. В плътна материя те се абсорбират много по-бързо. Човешките биологични тъкани са хетерогенни, така че тяхното усвояване на лъчите зависи от плътността на тъканта на органите. абсорбира лъчите по-бързо от меките тъкани, тъй като съдържа вещества с голям атомен номер. Фотоните (отделни частици от лъчи) се абсорбират от различни тъкани на човешкото тяло по различни начини, което прави възможно получаването на контрастно изображение с помощта на рентгенови лъчи.