Jako většina velkých objevů v historii lidstva, rentgenové záření bylo objeveno náhodou. V roce 1895 učinil německý vědec Wilhelm Roentgen objev při experimentování s elektronovými paprsky v plynové výbojce. Roentgen si všiml, že fluorescenční stínítko v jeho laboratoři začalo svítit, když byl elektronový paprsek zapnutý. To by bylo docela běžné, protože fluorescenční materiál by měl pod vlivem elektromagnetického záření zářit, ne-li pro jednu věc: trubice byla oddělena od stínítka hustou černou obrazovkou. Wilhelm navrhl, že to bylo způsobeno působením záření.

Roentgen pokračoval v experimentech a umístil různé předměty mezi obrazovku a trubici a obrazovka dále svítila. Nakonec položil ruku před dýmku a na obrazovce uviděl siluetu kostí. Zájem o jeho vynález se projevil okamžitě. Tento objev je jedním z nejvýznamnějších úspěchů v medicíně, protože umožnil lékařům nahlédnout do nitra pacienta, aniž by provedli operaci, a aniž by se ho dotkli.

Rentgenové záření má mnoho společného s běžným viditelným světlem. Oba jsou proudem energie podobné elektromagnetickým vlnám neseným částicemi zvanými fotony. Rozdíl je ve vlnové délce.

Fotony viditelného světla a fotony rentgenového záření jsou oba produkty pohybu elektronů v atomech. Elektrony obsazují různé energetické hladiny (orbitaly) kolem jádra atomu. Když se elektron přesune z vyšší dráhy na nižší, uvolní se určitá energie ve formě fotonů. Množství energie uvolněných fotonů závisí na tom, jak daleko se elektron dostal, tedy jak hluboko spadl. Pokud se foton srazí s jiným atomem, pak atom může absorbovat energii fotonu a přenést svůj elektron (elektrony) na vyšší úroveň, pokud je k tomu dostatek energie.

Atomy, které tvoří tkáně lidského těla, velmi dobře absorbují fotony viditelného světla. Jejich energetická hladina stačí k přenosu elektronů na vyšší úroveň. Rádiové vlny nemají dostatek energie na přesun elektronů mezi oběžnými drahami. Rentgenové vlny přitom procházejí věcmi z jiného důvodu: mají příliš mnoho energie. Mohou sice ztratit část své energie, aby nejen přenášely, ale obecně odtrhávaly elektrony z atomů, ale přesto většina paprsků prochází materiály.

Těžké atomy, jako je olovo, s větší pravděpodobností absorbují rentgenové záření, protože potřebují hodně energie k přenosu svých elektronů do vnějších úrovní. A netěžké atomy, ze kterých se skládají především tkáně našeho těla, fotony absorbují s menší pravděpodobností, protože mají mnohem menší vzdálenost mezi úrovněmi a větší energii rentgenového záření prostě nemohou přijmout („překonat“). Atomy vápníku jsou mnohem větší než chemické prvky, které tvoří zbytek tkání, takže absorbují část energie a na obrázcích vypadají jasněji.

Jak již bylo zmíněno výše, nejvýznamnější uplatnění rentgenového záření bylo zjištěno v rentgenovém přístroji, jehož zařízení silně připomíná experiment, který provedl jejich objevitel. Srdcem každého rentgenového přístroje je zdroj rentgenového záření. Je to zase plynem naplněná trubice s kladnými (katoda) a zápornými (anoda) elektrodami. Katoda je vlákno a anoda je wolframový disk. Při průchodu elektrického proudu vláknem se zahřeje a uvolní elektrony z jeho povrchu. Anoda je zase přitahuje plynným médiem, což má za následek velmi velký potenciálový rozdíl. Elektrony, které prorazí tuto velkou bariéru, narazí na anodu, vyrazí wolframové elektrony z horních energetických hladin okamžitě na spodní, v důsledku čehož se velká část energie uvolní ve formě fotonu, který je součástí rentgenového toku.

Trubice, kde je zařízení umístěno, je ze všech stran obklopena olověným pláštěm, který zabraňuje chaotické emisi fotonů ve všech směrech. Plášť má jedinou štěrbinu, která nastavuje směr rentgenového záření. Po určité vzdálenosti od trubice je umístěna kamera, která zachycuje fotony, a mezi kameru a trubici je umístěn pacient (jeho paže, noha atd.), kterého je nutné vyšetřit. Část fotonů tedy bude absorbována kostmi a husté tkáně a některé proletí měkkými tkáněmi a dostanou se na kameru. Silueta vytvořená na obrazovce poskytne obraz vnitřní struktury těla.

Navzdory všemu pozitivní stránky rentgenové záření, mají významný negativní faktor. V počátcích používání rentgenových přístrojů lékaři vystavovali pacienty záření, které bylo za hranicí trvání a síly, což v důsledku vedlo k rozvoji nemoci z ozáření u obou. Je to proto, že rentgenové záření je formou ionizujícího záření. Pod jeho vlivem jsou některé elektrony vyraženy z vnějších obalů atomů, což vede k ionizaci materiálu, který tvoří. To zase může vést k destrukci buněk měkkých tkání, což může následně vést k rakovině, neplodnosti, mutacím a dalším extrémně negativním důsledkům.

Rentgenového záření se však nebojte. Moderní rentgenové přístroje používají velmi malé části paprsků. Pokud takové vyšetření neprovádíte příliš často, bude negativní účinek extrémně malý. Proto dnes téměř v každé nemocnici najdete rentgenový sál, bez kterého si lze těžko představit léčbu mnoha nemocí a úrazů.

Při studiu a praktickém využití atomových jevů jeden z kritické role přehrávání rentgenů. Díky jejich výzkumu bylo učiněno mnoho objevů a vyvinuty metody pro rozbor látek, které se používají v různých oblastech. Zde budeme zvažovat jeden z typů rentgenového záření - charakteristické rentgenové záření.

Povaha a vlastnosti rentgenového záření

Rentgenové záření je vysokofrekvenční změna skupenství elektro magnetické polešířící se vesmírem rychlostí asi 300 000 km/s, tedy elektromagnetické vlny. Na stupnici rozsahu elektromagnetického záření se rentgenové záření nachází v rozsahu vlnových délek přibližně od 10 -8 do 5∙10 -12 metrů, což je o několik řádů kratší než optické vlny. To odpovídá frekvencím od 3∙10 16 do 6∙10 19 Hz a energiím od 10 eV do 250 keV, neboli 1,6∙10 -18 až 4∙10 -14 J. Je třeba poznamenat, že hranice frekvenčních rozsahů elektromagnetické záření jsou spíše konvenční kvůli jejich překrývání.

Je to interakce urychlených nabitých částic (vysokoenergetických elektronů) s elektrickými a magnetickými poli as atomy hmoty.

Rentgenové fotony se vyznačují vysokými energiemi a vysokou penetrační a ionizační silou, zejména pro tvrdé rentgenové záření s vlnovými délkami menšími než 1 nanometr (10 -9 m).

Rentgenové záření interaguje s hmotou, ionizuje její atomy, v procesech fotoelektrického jevu (fotoabsorpce) a nekoherentního (Comptonova) rozptylu. Při fotoabsorpci foton rentgenového záření, který je absorbován elektronem atomu, mu předává energii. Pokud jeho hodnota překročí vazebnou energii elektronu v atomu, pak atom opustí. Comptonův rozptyl je charakteristický pro tvrdší (energetické) fotony rentgenového záření. Část energie absorbovaného fotonu se spotřebuje na ionizaci; v tomto případě je pod určitým úhlem ke směru primárního fotonu emitován sekundární foton s nižší frekvencí.

Druhy rentgenového záření. Bremsstrahlung

K získání paprsků se používají skleněné vakuové lahve s elektrodami umístěnými uvnitř. Potenciální rozdíl mezi elektrodami musí být velmi vysoký - až stovky kilovoltů. Na wolframové katodě vyhřívané proudem dochází k termionické emisi, to znamená, že jsou z ní emitovány elektrony, které urychleny rozdílem potenciálu bombardují anodu. V důsledku jejich interakce s atomy anody (někdy nazývané antikatoda) se rodí fotony rentgenového záření.

V závislosti na tom, jaký proces vede ke zrození fotonu, existují takové typy rentgenového záření, jako je brzdné záření a charakteristické.

Elektrony se mohou při setkání s anodou zpomalit, to znamená ztratit energii v elektrických polích jejích atomů. Tato energie je vyzařována ve formě rentgenových fotonů. Takové záření se nazývá brzdné záření.

Je jasné, že podmínky brzdění se u jednotlivých elektronů budou lišit. To znamená, že se rentgenové záření přeměňuje na různá množství jejich kinetickou energii. Výsledkem je, že brzdné záření zahrnuje fotony různých frekvencí a podle toho i vlnových délek. Proto je jeho spektrum spojité (spojité). Někdy se z tohoto důvodu nazývá také „bílé“ rentgenové záření.

Energie brzdného fotonu nemůže překročit kinetickou energii elektronu, který jej generuje, takže maximální frekvence (a nejmenší vlnová délka) brzdného záření odpovídá nejvyšší hodnotu kinetická energie elektronů dopadajících na anodu. Ten závisí na potenciálovém rozdílu aplikovaném na elektrody.

Existuje další typ rentgenového záření, které pochází z jiného procesu. Toto záření se nazývá charakteristické a my se mu budeme věnovat podrobněji.

Jak se vyrábí charakteristické rentgenové záření

Po dosažení antikatody může rychlý elektron proniknout dovnitř atomu a vyřadit jakýkoli elektron z jednoho z nižších orbitalů, to znamená přenést na něj energii dostatečnou k překonání potenciálové bariéry. Pokud jsou však v atomu vyšší energetické hladiny obsazené elektrony, nezůstane uvolněné místo prázdné.

Je třeba mít na paměti, že elektronická struktura atomu, jako každý energetický systém, se snaží minimalizovat energii. Prázdné místo vytvořené v důsledku knockoutu je vyplněno elektronem z jedné z vyšších úrovní. Jeho energie je vyšší a při obsazení nižší úrovně vyzařuje přebytek ve formě kvanta charakteristického rentgenového záření.

Elektronová struktura atomu je diskrétní soubor možných energetických stavů elektronů. Proto mohou mít rentgenové fotony emitované při nahrazování elektronových vakancí také pouze přesně definované energetické hodnoty, odrážející rozdíl hladin. V důsledku toho má charakteristické rentgenové záření spektrum nikoli spojité, ale čárového typu. Takové spektrum umožňuje charakterizovat podstatu anody – odtud název těchto paprsků. Právě kvůli spektrálním rozdílům je jasné, co se myslí brzdným zářením a charakteristickým rentgenovým zářením.

Někdy přebytečná energie není emitována atomem, ale je vynaložena na vyřazení třetího elektronu. K tomuto procesu – tzv. Augerovu jevu – dochází spíše tehdy, když vazebná energie elektronu nepřesáhne 1 keV. Energie uvolněného Augerova elektronu závisí na struktuře energetických hladin atomu, takže spektra takových elektronů jsou také diskrétní.

Celkový pohled na charakteristické spektrum

V rentgenovém spektrálním obrazci jsou přítomny úzké charakteristické čáry spolu se spojitým spektrem brzdného záření. Pokud spektrum znázorníme jako graf závislosti intenzity na vlnové délce (frekvenci), uvidíme v místech čar ostré vrcholy. Jejich poloha závisí na materiálu anody. Tato maxima jsou přítomna při jakémkoli rozdílu potenciálu - pokud existují rentgenové záření, jsou zde vždy také vrcholy. S rostoucím napětím na elektrodách elektronky se zvyšuje intenzita jak spojitého, tak charakteristického rentgenového záření, ale umístění vrcholů a poměr jejich intenzit se nemění.

Píky v rentgenových spektrech mají stejný tvar bez ohledu na materiál antikatody ozařované elektrony, ale pro různé materiály umístěné na různých frekvencích, sdružující se do série podle blízkosti hodnot frekvence. Mezi samotnými sériemi je rozdíl ve frekvencích mnohem výraznější. Tvar maxim nijak nezávisí na tom, zda materiál anody představuje čistý chemický prvek nebo jde o komplexní látku. V posledně jmenovaném případě jsou charakteristická rentgenová spektra jeho základních prvků jednoduše navrstvena na sebe.

S nárůstem atomového čísla chemického prvku se všechny čáry jeho rentgenového spektra posouvají směrem k rostoucí frekvenci. Spektrum si zachovává svou formu.

Moseleyho zákon

Fenomén spektrálního posunu charakteristických čar experimentálně objevil anglický fyzik Henry Moseley v roce 1913. To mu umožnilo spojit frekvence maxim spektra s pořadovými čísly chemických prvků. Vlnová délka charakteristického rentgenového záření tedy, jak se ukázalo, může být jasně korelována s konkrétním prvkem. Obecně lze Moseleyův zákon zapsat takto: √f = (Z - S n)/n√R, kde f je frekvence, Z je pořadové číslo prvku, S n je stínící konstanta, n je hlavní kvantum číslo a R je Rydbergova konstanta. Tento vztah je lineární a objevuje se na Moseleyově diagramu jako řada přímek pro každou hodnotu n.

Hodnoty n odpovídají jednotlivým sériím charakteristických rentgenových píků. Moseleyho zákon umožňuje určit pořadové číslo chemického prvku ozářeného tvrdými elektrony z naměřených vlnových délek (jsou jednoznačně vztaženy k frekvencím) maxim rentgenového spektra.

Struktura elektronových obalů chemických prvků je totožná. To je indikováno monotónností změny posunu v charakteristickém spektru rentgenového záření. Posun frekvence neodráží strukturální, ale energetické rozdíly mezi elektronovými obaly, jedinečné pro každý prvek.

Role Moseleyho zákona v atomové fyzice

Existují malé odchylky od striktního lineárního vztahu vyjádřeného Moseleyho zákonem. Jsou spojeny zaprvé se zvláštnostmi pořadí plnění elektronových obalů u některých prvků a zadruhé s relativistickými účinky pohybu elektronů v těžkých atomech. Při změně počtu neutronů v jádře (tzv. izotopový posun) se navíc může mírně změnit poloha čar. Tento efekt umožnil podrobně studovat atomovou strukturu.

Význam Moseleyho zákona je mimořádně velký. Jeho důsledná aplikace na prvky Mendělejevova periodického systému vytvořila vzorec zvyšování pořadového čísla podle každého malého posunu charakteristických maxim. To přispělo k objasnění otázky fyzikálního významu řadové číslovky prvků. Hodnota Z není jen číslo: je to kladný elektrický náboj jádra, který je součtem jednotkových kladných nábojů částic, které ho tvoří. Správné umístění prvků v tabulce a přítomnost prázdných pozic v ní (pak ještě existovaly) získalo silné potvrzení. Platnost periodického zákona byla prokázána.

Moseleyho zákon se navíc stal základem, na kterém vznikla celá oblast experimentálního výzkumu - rentgenová spektrometrie.

Struktura elektronových obalů atomu

Stručně si připomeňme, jak je uspořádána elektronová struktura Skládá se z obalů, označovaných písmeny K, L, M, N, O, P, Q nebo čísly od 1 do 7. Elektrony uvnitř obalu se vyznačují stejnými hlavní kvantové číslo n, které určuje možné energetické hodnoty. Ve vnějších obalech je energie elektronů vyšší a ionizační potenciál pro vnější elektrony je odpovídajícím způsobem nižší.

Shell obsahuje jednu nebo více podúrovní: s, p, d, f, g, h, i. V každém shellu se počet podúrovní zvýší o jednu oproti předchozí. Počet elektronů v každé podúrovni a v každém obalu nemůže překročit určitou hodnotu. Vyznačují se kromě hlavního kvantového čísla stejnou hodnotou orbitálního elektronového oblaku, která určuje tvar. Podúrovně jsou označeny shellem, ke kterému patří, například 2s, 4d a tak dále.

Podúroveň obsahuje, které jsou kromě hlavního a orbitálního nastaveny ještě jedním kvantovým číslem - magnetickým, které určuje průmět orbitální hybnosti elektronu do směru magnetického pole. Jeden orbital může mít nejvýše dva elektrony, liší se hodnotou čtvrtého kvantového čísla – spinu.

Podívejme se podrobněji na to, jak vzniká charakteristické rentgenové záření. Vzhledem k tomu, že původ tohoto typu elektromagnetické emise je spojen s jevy probíhajícími uvnitř atomu, je nejvhodnější jej přesně popsat v aproximaci elektronických konfigurací.

Mechanismus tvorby charakteristického rentgenového záření

Příčinou tohoto záření je tedy tvorba elektronových prázdných míst ve vnitřních obalech v důsledku pronikání vysokoenergetických elektronů hluboko do atomu. Pravděpodobnost, že tvrdý elektron bude interagovat, se zvyšuje s hustotou elektronových mraků. Ke srážkám proto s největší pravděpodobností dochází uvnitř hustě zaplněných vnitřních skořepin, jako je nejnižší K-skořápka. Zde je atom ionizován a v 1s obalu se vytvoří vakance.

Toto prázdné místo je vyplněno elektronem z obalu s vyšší energií, jehož přebytek odnáší rentgenový foton. Tento elektron může „spadnout“ z druhého obalu L, ze třetího obalu M a tak dále. Takto se tvoří charakteristická řada, v tomto příkladu řada K. Označení toho, odkud elektron vyplňující volné místo pochází, je uvedeno ve formě řeckého indexu při označení série. "Alfa" znamená, že pochází z L-skořápky, "beta" - z M-skořápky. V současné době existuje tendence nahrazovat řecké písmenné indexy latinskými přijatými pro označení lastur.

Intenzita alfa čáry v řadě je vždy nejvyšší, což znamená, že pravděpodobnost obsazení volného místa ze sousedního pláště je nejvyšší.

Nyní můžeme odpovědět na otázku, jaká je maximální energie charakteristického rentgenového kvanta. Je určeno rozdílem v energetických hodnotách úrovní, mezi kterými dochází k elektronovému přechodu, podle vzorce E \u003d E n 2 - E n 1, kde E n 2 a E n 1 jsou energie elektronické stavy, mezi kterými došlo k přechodu. Nejvyšší hodnota tohoto parametru je dána přechody řady K s maximem vysoké úrovně atomy těžkých prvků. Ale intenzita těchto čar (výšky píku) je nejmenší, protože jsou nejméně pravděpodobné.

Pokud kvůli nedostatečnému napětí na elektrodách nemůže tvrdý elektron dosáhnout hladiny K, vytvoří vakanci na hladině L a vytvoří se méně energetická série L s delšími vlnovými délkami. Následující série se rodí podobným způsobem.

Navíc, když se volné místo zaplní, objeví se v nadložní skořápce nové volné místo v důsledku elektronického přechodu. Tím jsou vytvořeny podmínky pro generování další řady. Elektronická volná místa se pohybují výše od úrovně k úrovni a atom vysílá kaskádu charakteristických spektrálních sérií, přičemž zůstává ionizován.

Jemná struktura charakteristických spekter

Atomová rentgenová spektra charakteristického rentgenového záření se vyznačují jemnou strukturou, která je vyjádřena jako v optická spektra, dělení v řadě.

Jemná struktura je dána tím, že energetická hladina – elektronový obal – je souborem těsně rozmístěných složek – podslupek. Pro charakterizaci podslupek je zavedeno ještě jedno vnitřní kvantové číslo j, které odráží interakci vnitřních a orbitálních magnetických momentů elektronu.

Vlivem interakce spin-orbita se energetická struktura atomu zkomplikuje a v důsledku toho má charakteristické rentgenové záření spektrum, které se vyznačuje rozštěpenými čarami s velmi těsně rozmístěnými prvky.

Prvky jemné struktury jsou obvykle označeny doplňkovými digitálními indexy.

Charakteristické rentgenové záření má vlastnost, která se odráží pouze v jemné struktuře spektra. K přechodu elektronu na nejnižší energetickou hladinu nedochází ze spodní podslupky nadložní hladiny. Taková událost má zanedbatelnou pravděpodobnost.

Využití rentgenového záření ve spektrometrii

Toto záření, díky svým vlastnostem popsaným Moseleyovým zákonem, je základem různých rentgenových spektrálních metod pro analýzu látek. Při analýze rentgenového spektra se využívá buď difrakce záření krystaly (vlnodisperzní metoda) nebo detektory citlivé na energii absorbovaných rentgenových fotonů (energeticky disperzní metoda). Většina elektronových mikroskopů je vybavena nějakou formou nástavce pro rentgenovou spektrometrii.

Zvláště vysoká přesnost vlnově disperzní spektrometrie se liší. Pomocí speciálních filtrů se vybírají nejintenzivnější vrcholy spektra, díky čemuž je možné získat téměř monochromatické záření s přesně známou frekvencí. Materiál anody se vybírá velmi pečlivě, aby se zajistilo získání monochromatického paprsku požadované frekvence. Jeho difrakce k krystalová mřížka studované látky umožňuje s velkou přesností studovat strukturu mřížky. Tato metoda se také používá při studiu DNA a dalších složitých molekul.

Jeden z rysů charakteristického rentgenového záření je zohledněn i v gamaspektrometrii. To je vysoká intenzita charakteristických vrcholů. Gama spektrometry používají olověné stínění proti vnějšímu záření pozadí, které ruší měření. Ale olovo, absorbující gama kvanta, zažívá vnitřní ionizaci, v důsledku čehož aktivně emituje v oblasti rentgenového záření. Dodatečné kadmiové stínění se používá k absorpci intenzivních vrcholů charakteristického rentgenového záření z olova. Ten je zase ionizován a také vyzařuje rentgenové záření. K neutralizaci charakteristických píků kadmia se používá třetí stínící vrstva - měď, jejíž maxima rentgenového záření leží mimo pracovní frekvenční rozsah gamaspektrometru.

Spektrometrie využívá jak brzdné záření, tak charakteristické rentgenové záření. Při analýze látek se tedy studují absorpční spektra kontinuálního rentgenového záření různými látkami.

V roce 1895 německý fyzik Roentgen při provádění pokusů o průchodu proudu mezi dvěma elektrodami ve vakuu zjistil, že stínítko pokryté luminiscenční látkou (barnatou solí) svítí, ačkoli výbojka je uzavřena černým kartonovým stínítkem - takto bylo objeveno záření, které proniká přes neprůhledné bariéry, nazývané rentgenové rentgenové záření. Bylo zjištěno, že rentgenové záření, pro člověka neviditelné, je absorbováno v neprůhledných předmětech tím silnější, čím větší je atomové číslo (hustota) bariéry, takže rentgenové záření snadno prochází měkkých tkání Lidské tělo, ale jsou zachovány kostmi kostry. Zdroje výkonného rentgenového záření byly navrženy tak, aby umožňovaly přenos kovové části a najít v nich vnitřní vady.

Německý fyzik Laue navrhl, že rentgenové záření je stejné elektromagnetické záření jako paprsky viditelného světla, ale s kratší vlnovou délkou a platí pro ně všechny zákony optiky, včetně možné difrakce. V optice viditelného světla lze difrakci na elementární úrovni reprezentovat jako odraz světla od soustavy tahů − mřížka, který se vyskytuje pouze pod určitými úhly, přičemž úhel odrazu paprsků souvisí s úhlem dopadu, vzdáleností mezi drážkami difrakční mřížky a vlnovou délkou dopadajícího záření. Pro difrakci je nutné, aby vzdálenost mezi tahy byla přibližně rovna vlnové délce dopadajícího světla.

Laue navrhl, že rentgenové záření má vlnovou délku blízkou vzdálenosti mezi jednotlivými atomy v krystalech, tzn. atomy v krystalu vytvářejí difrakční mřížku pro rentgenové záření. Rentgenové záření nasměrované na povrch krystalu se odráželo na fotografické desce, jak předpovídá teorie.

Jakékoli změny polohy atomů ovlivňují difrakční obrazec a studiem rentgenové difrakce lze zjistit uspořádání atomů v krystalu a změnu tohoto uspořádání za jakýchkoli fyzikálních, chemických a mechanické vlivy ke krystalu.

Nyní se rentgenová analýza používá v mnoha oblastech vědy a techniky, s její pomocí se naučili uspořádání atomů v existujících materiálech a vytvořili nové materiály s danou strukturou a vlastnostmi. Nedávné pokroky v této oblasti (nanomateriály, amorfní kovy, kompozitní materiály) vytvářejí pole působnosti pro další vědecké generace.

Výskyt a vlastnosti rentgenového záření

Zdrojem rentgenového záření je rentgenka, která má dvě elektrody – katodu a anodu. Při zahřívání katody dochází k emisi elektronů, elektrony emitované z katody jsou urychlovány elektrickým polem a dopadají na povrch anody. Rentgenku odlišuje od klasické radiolampy (diody) především vyšší urychlovací napětí (více než 1 kV).

Když elektron opustí katodu, elektrické pole letí směrem k anodě, přičemž jeho rychlost neustále roste, elektron nese magnetické pole, jehož intenzita roste s růstem rychlosti elektronu. Při dosažení povrchu anody je elektron prudce zpomalen a vzniká elektromagnetický impuls s vlnovými délkami v určitém rozsahu (bremsstrahlung). Rozložení intenzity záření na vlnových délkách závisí na materiálu anody rentgenky a přiloženém napětí, zatímco na straně krátkých vln začíná tato křivka od určité prahové minimální vlnové délky, která závisí na přiloženém napětí. Soubor paprsků všech možných vlnových délek tvoří spojité spektrum a vlnová délka odpovídající maximální intenzitě je 1,5násobek minimální vlnové délky.

S rostoucím napětím se spektrum rentgenového záření dramaticky mění v důsledku interakce atomů s vysokoenergetickými elektrony a kvanty primárního rentgenového záření. Atom obsahuje vnitřní elektronové obaly (energetické hladiny), jejichž počet závisí na atomovém čísle (označuje se písmeny K, L, M atd.) Elektrony a primární rentgenové záření vyřazují elektrony z jedné energetické hladiny na druhou. . Vzniká metastabilní stav a pro přechod do stabilního stavu je nutný skok elektronů v opačném směru. Tento skok je doprovázen uvolněním kvanta energie a objevením se rentgenového záření. Na rozdíl od rentgenového záření se spojitým spektrem má toto záření velmi úzký rozsah vlnových délek a vysokou intenzitu (charakteristické záření) ( cm. rýže.). Počet atomů, které určují intenzitu charakteristického záření, je velmi velký, např. pro rentgenku s měděnou anodou při napětí 1 kV proud 15 mA dává 10 14–10 15 atomů charakteristickou záření po dobu 1s. Tato hodnota se vypočítá jako poměr celkového výkonu rentgenového záření k energii kvanta rentgenového záření z K-skořápky (K-řada rentgenového charakteristického záření). Celkový výkon rentgenového záření je v tomto případě pouze 0,1 % spotřebovaného výkonu, zbytek se ztrácí především přechodem do tepla.

Charakteristické rentgenové záření je díky své vysoké intenzitě a úzkému rozsahu vlnových délek hlavním typem záření vědecký výzkum a technologické kontroly. Současně s paprsky řady K se generují paprsky řady L a M, které mají mnohem delší vlnové délky, ale jejich použití je omezené. Řada K má dvě složky s blízkými vlnovými délkami a a b, přičemž intenzita složky b je 5krát menší než intenzita a. A-složka se zase vyznačuje dvěma velmi blízkými vlnovými délkami, přičemž intenzita jedné z nich je 2krát větší než druhá. K získání záření s jedinou vlnovou délkou (monochromatické záření), vyvinutý speciální metody, pomocí závislosti absorpce a difrakce rentgenového záření na vlnové délce. Zvýšení atomového čísla prvku je spojeno se změnou charakteristik elektronových obalů a čím větší je atomové číslo materiálu anody rentgenky, tím kratší je vlnová délka řady K. Nejpoužívanější elektronky s anodami z prvků s atomovými čísly od 24 do 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) a vlnovými délkami od 2,29 do 0,712 A (0,229 - 0,712 nm).

Kromě rentgenky mohou být zdrojem rentgenového záření radioaktivní izotopy, některé mohou přímo vyzařovat rentgenové záření, jiné emitují elektrony a a-částice, které generují rentgenové záření při bombardování kovových cílů. Intenzita rentgenového záření radioaktivních zdrojů je obvykle mnohem menší než u rentgenky (s výjimkou radioaktivního kobaltu, který se používá při defektoskopii a poskytuje záření o velmi malé vlnové délce - g-záření), jsou malé rozměry a nevyžadují elektřinu. Synchrotronové rentgenové záření vzniká v urychlovačích elektronů, vlnová délka tohoto záření je mnohem vyšší než u rentgenových trubic (měkké rentgenové záření), jeho intenzita je o několik řádů vyšší než intenzita rentgenových trubic. Existují také přirozené zdroje rentgenového záření. Radioaktivní nečistoty byly nalezeny v mnoha minerálech a bylo zaznamenáno rentgenové záření vesmírných objektů, včetně hvězd.

Interakce rentgenového záření s krystaly

Při rentgenovém studiu materiálů s krystalickou strukturou jsou analyzovány interferenční obrazce vyplývající z rozptylu rentgenového záření elektrony patřícími k atomům krystalové mřížky. Atomy jsou považovány za nepohyblivé, neberou se v úvahu jejich tepelné vibrace a všechny elektrony stejného atomu jsou považovány za koncentrované v jednom bodě - uzlu krystalové mřížky.

Pro odvození základních rovnic rentgenové difrakce v krystalu je uvažována interference paprsků rozptýlených atomy umístěnými podél přímky v krystalové mřížce. Na tyto atomy dopadá rovinná vlna monochromatického rentgenového záření pod úhlem, jehož kosinus se rovná 0 . Zákony interference paprsků rozptýlených atomy jsou podobné těm, které existují pro difrakční mřížku, která rozptyluje světelné záření ve viditelném rozsahu vlnových délek. Aby se amplitudy všech vibrací sčítaly ve velké vzdálenosti od atomové řady, je nutné a dostatečné, aby rozdíl v dráze paprsků vycházejících z každé dvojice sousedních atomů obsahoval celé číslo vlnových délek. Když je vzdálenost mezi atomy A tento stav vypadá takto:

A(A – a0) = h l ,

kde a je kosinus úhlu mezi atomovou řadou a vychýleným paprskem, h- celé číslo. Ve všech směrech, které nesplňují tuto rovnici, se paprsky nešíří. Rozptýlené paprsky tedy tvoří soustavu koaxiálních kuželů, jejichž společnou osou je atomová řada. Stopy kuželů na rovině rovnoběžné s řadou atomů jsou hyperboly a na rovině kolmé na řadu kruhy.

Když paprsky dopadají pod konstantním úhlem, polychromatické (bílé) záření se rozkládá na spektrum paprsků odkloněných pod pevnými úhly. Atomová řada je tedy spektrograf pro rentgenové záření.

Zobecnění na dvourozměrnou (plochou) atomovou mřížku a poté na trojrozměrnou objemovou (prostorovou) krystalovou mřížku dává další dvě podobné rovnice, které zahrnují úhly dopadu a odrazu rentgenového záření a vzdálenosti mezi atomy ve třech Pokyny. Tyto rovnice se nazývají Laueovy rovnice a jsou základem analýzy rentgenové difrakce.

Amplitudy paprsků odražených od rovnoběžných atomových rovin se sčítají a od počet atomů je velmi velký, odražené záření lze experimentálně fixovat. Podmínku odrazu popisuje Wulff–Braggova rovnice2d sinq = nl, kde d je vzdálenost mezi sousedními atomovými rovinami, q je úhel pohledu mezi směrem dopadajícího paprsku a těmito rovinami v krystalu, l je rentgenové záření. vlnová délka a n je celé číslo nazývané řád odrazu. Úhel q je úhel dopadu vzhledem k atomovým rovinám, které se nemusí nutně shodovat ve směru s povrchem zkoumaného vzorku.

Bylo vyvinuto několik metod rentgenové difrakční analýzy využívající jak záření se spojitým spektrem, tak monochromatické záření. V tomto případě může být studovaný objekt stacionární nebo rotující, může sestávat z jednoho krystalu (monokrystal) nebo z mnoha (polykrystal), difraktované záření lze zaznamenat pomocí plochého nebo válcového rentgenového filmu nebo pohybujícího se rentgenového detektoru po obvodu se však ve všech případech při experimentu a interpretaci výsledků používá Wulf-Braggova rovnice.

Rentgenová analýza ve vědě a technice

S objevem rentgenové difrakce mají badatelé k dispozici metodu, která umožňuje studovat uspořádání jednotlivých atomů a změny tohoto uspořádání pod vnějšími vlivy bez mikroskopu.

Hlavní aplikací rentgenového záření ve fundamentální vědě je strukturální analýza, tj. stanovení prostorového uspořádání jednotlivých atomů v krystalu. K tomu se pěstují monokrystaly a provádí se rentgenová analýza, která studuje jak umístění, tak intenzitu odrazů. Nyní struktury nejen kovů, ale také složité organická hmota, ve kterém elementární buňky obsahují tisíce atomů.

V mineralogii byly rentgenovou analýzou stanoveny struktury tisíců minerálů a byly vytvořeny expresní metody pro analýzu nerostných surovin.

Kovy mají poměrně jednoduchou krystalovou strukturu a rentgenová metoda umožňuje studovat její změny při různých technologických úpravách a vytvářet fyzikální základy nových technologií.

Fázové složení slitin je určeno uspořádáním čar na RTG obrazcích, počet, velikost a tvar krystalů je určen jejich šířkou, orientace krystalů (textura) je určena rozložením intenzity v difrakční kužel.

Pomocí těchto technik jsou studovány procesy při plastické deformaci, včetně drcení krystalů, výskytu vnitřních pnutí a nedokonalostí. Krystalická struktura(dislokace). Při zahřívání deformovaných materiálů se studuje uvolnění napětí a růst krystalů (rekrystalizace).

Při rentgenové analýze slitin se určuje složení a koncentrace pevných roztoků. Když se objeví pevný roztok, změní se meziatomové vzdálenosti a následně i vzdálenosti mezi atomovými rovinami. Tyto změny jsou malé, proto byly vyvinuty speciální přesné metody pro měření period krystalové mřížky s přesností o dva řády vyšší, než je přesnost měření konvenčními rentgenovými metodami výzkumu. Kombinace přesných měření period krystalové mřížky a fázové analýzy umožňuje vykreslit hranice fázových oblastí do stavového diagramu. Rentgenovou metodou lze detekovat i mezistavy mezi pevnými roztoky a chemickými sloučeninami - uspořádané pevné roztoky, ve kterých nejsou atomy nečistot uspořádány náhodně, jako v pevných roztocích, a zároveň ne v trojrozměrném uspořádání, jako v chemických sloučeniny. Na rentgenových obrazcích uspořádaných pevných roztoků jsou další čáry, interpretace rentgenových obrazců ukazuje, že atomy nečistot zaujímají určitá místa v krystalové mřížce, například ve vrcholech krychle.

Během kalení slitiny, která neprochází fázovými přeměnami, může dojít k přesycenému tuhému roztoku a při dalším zahřívání nebo dokonce udržování při pokojové teplotě se pevný roztok rozkládá za uvolňování částic chemické sloučeniny. Toto je účinek stárnutí a projevuje se na rentgenových snímcích jako změna polohy a šířky čar. Studium stárnutí je zvláště důležité pro neželezné slitiny, například stárnutí se změní na měkké kalené Hliníková slitina z odolného konstrukčního materiálu dural.

Největší technologický význam mají rentgenové studie tepelného zpracování oceli. Při kalení (rychlém ochlazování) oceli dochází k bezdifuznímu fázovému přechodu austenit-martenzit, který vede ke změně struktury z kubické na tetragonální, tzn. základní buňka má tvar pravoúhlého hranolu. Na rentgenových snímcích se to jeví jako rozšíření čar a oddělení některých čar na dvě. Důvodem tohoto efektu je nejen změna krystalové struktury, ale také vznik velkých vnitřních pnutí v důsledku termodynamické nerovnováhy martenzitické struktury a rychlého ochlazování. Při popouštění (ohřívání kalené oceli) se čáry na rentgenových obrazcích zužují, je to způsobeno návratem do rovnovážné struktury.

V posledních letech nabyly na významu rentgenové studie zpracování materiálů s koncentrovanými energetickými toky (laserové paprsky, rázové vlny, neutrony a elektronové pulzy), které vyžadovaly nové techniky a přinesly nové rentgenové efekty. Například působením laserových paprsků na kovy dochází k ohřevu a ochlazení tak rychle, že v kovu po ochlazení krystaly stihnou narůst pouze do velikosti několika jednotkových buněk (nanokrystalů) nebo se nestihnou vytvořit vůbec. Takový kov po ochlazení vypadá jako obyčejný, ale na rentgenovém obrazci nedává jasné linie a odražené rentgenové paprsky jsou rozloženy v celém rozsahu úhlů pohledu.

Po ozáření neutrony se na RTG obrazcích objevují další skvrny (difuzní maxima). Radioaktivní rozpad také způsobuje specifické rentgenové efekty spojené se změnou struktury, stejně jako skutečnost, že studovaný vzorek se sám stává zdrojem rentgenového záření.

Rentgenové záření - druh záření s frekvencí v rozsahu od 3 * 10 16 do 3 * 10 20 Hz.

Historie objevu rentgenového záření

Rentgenové záření objevil v roce 1895 Němec Wilhelm Roentgen. Na konci 19. století se vědci zabývali studiem výboje plynu při nízkém tlaku. V tomto případě se v plynové výbojce vytvořily toky elektronů pohybujících se vysokou rychlostí. Studiem těchto paprsků se také ujal V. Roentgen.

Všiml si, že pokud je vedle výbojky umístěna fotografická deska, bude osvětlena, i když je zabalena v černém papíru. Pokračoval v přípravách experimentů a Roentgen obalil trubici plynové výboje papírem namočeným v roztoku kyanidu barnatého platiny. Papír začal zářit.

Rentgen byl zvědavý a položil ruku mezi papír a zkumavku, pravděpodobně v naději, že začne zářit, ale nestalo se tak. Ale na papírové obrazovce zůstaly na pozadí světlejších obrysů ruky vidět tmavé stíny kostí. Roentgen navrhl, že se jedná o nějaké neznámé záření, které má velmi silný penetrační účinek.

• Nazval tyto paprsky rentgenové snímky. Následně se tyto paprsky staly známými jako rentgenové paprsky.

Rentgenové vlastnosti

Rentgenové záření není ovlivněno elektromagnetickým polem. Zároveň prakticky nezaznamenaly lom a neodrážely se. Předpokládalo se, že rentgenové záření jsou elektromagnetické vlny, které jsou emitovány při zpomalování elektronů.

• Oni mají velmi krátká vlnová délka díky čemuž mají tak vysokou penetrační sílu.

Nyní byla pozornost vědců upřena na studium rentgenového záření. Snažili se detekovat difrakci těchto paprsků. Prošel je štěrbinami v deskách, ale nenašel žádný účinek. O nějaký čas později Němec Max Laue navrhl průchod rentgenového záření přes krystaly.

Doložil to tím, že možná je vlnová délka rentgenového záření srovnatelná s velikostí atomů, a proto nebude možné dosáhnout difrakce na umělých štěrbinách. Proto by se měly používat krystaly, které mají jasnou strukturu a vzdálenost mezi atomy je přibližně stejná jako velikost atomů samotných. Laueho předpoklady se potvrdily.

Po průchodu rentgenového záření krystalem se na obrazovce objevil přibližně následující obrázek.

Vznik dalších malých skvrn lze vysvětlit pouze jevem rentgenové difrakce na vnitřní struktuře krystalu. Při dalším zkoumání se ukázalo, že vlnová délka rentgenového záření se skutečně řádově rovnala velikosti atomů.

Rentgenové záření má v praxi široké využití. V medicíně, vědeckém výzkumu, technologii. Pomocí rentgenových paprsků se provádí detekce defektů různých struktur, hledání černých děr a zlomenin v kostech lidí.

Objev a zásluhy na studiu základních vlastností rentgenového záření právem náleží německému vědci Wilhelmu Conradu Roentgenovi. Jím objevené úžasné vlastnosti rentgenového záření okamžitě získaly obrovský ohlas ve vědeckém světě. Ačkoli tehdy, v roce 1895, si vědec stěží dokázal představit, jaký užitek a někdy i škodu může rentgenové záření přinést.

Pojďme se v tomto článku dozvědět, jak tento typ záření ovlivňuje lidské zdraví.

Co je rentgenové záření

První otázka, která výzkumníka zajímala, byla, co je rentgenové záření? Řada experimentů umožnila ověřit, že se jedná o elektromagnetické záření o vlnové délce 10 -8 cm, které zaujímá mezipolohu mezi ultrafialovým a gama zářením.

Aplikace rentgenového záření

Všechny tyto aspekty ničivých účinků záhadných rentgenových paprsků vůbec nevylučují překvapivě rozsáhlé aspekty jejich aplikace. Kde se používá rentgenové záření?

1. Studium struktury molekul a krystalů.
2. Rentgenová detekce vad (v průmyslu, detekce vad výrobků).
3. Metody lékařského výzkumu a terapie.

Nejdůležitější aplikace rentgenového záření se staly možnými díky velmi krátkým vlnovým délkám celého rozsahu těchto vln a jejich jedinečným vlastnostem.

Vzhledem k tomu, že nás zajímá dopad rentgenového záření na lidi, kteří se s ním setkají pouze při lékařském vyšetření nebo léčbě, budeme uvažovat pouze o této oblasti použití rentgenového záření.

Využití rentgenového záření v lékařství

Navzdory zvláštnímu významu svého objevu si Roentgen neudělal patent na jeho použití, čímž se stal neocenitelným darem pro celé lidstvo. Již v první světové válce se začaly používat rentgenové jednotky, které umožňovaly rychle a přesně diagnostikovat raněné. Nyní můžeme rozlišit dvě hlavní oblasti použití rentgenového záření v medicíně:

• Rentgenová diagnostika;
• rentgenová terapie.

Rentgenová diagnostika

Rentgenová diagnostika se používá v různých možnostech:

Pojďme se podívat na rozdíl mezi těmito metodami.

Všechny tyto diagnostické metody jsou založeny na schopnosti rentgenového záření osvětlovat film a na jejich různé propustnosti pro tkáně a kostní skelet.

Rentgenová terapie

Schopnost rentgenového záření mít biologický účinek na tkáně se využívá v medicíně k léčbě nádorů. Ionizační účinek tohoto záření se nejaktivněji projevuje v účinku na rychle se dělící buňky, což jsou buňky zhoubných nádorů.

Měli byste si však být vědomi vedlejší efekty které nevyhnutelně doprovázejí radioterapii. Faktem je, že rychle se dělící buňky jsou také hematopoetické, endokrinní, imunitní systémy. Negativní vliv na nich vyvolává příznaky nemoci z ozáření.

Vliv rentgenového záření na člověka

Krátce po pozoruhodném objevu rentgenového záření bylo zjištěno, že rentgenové záření má vliv na člověka.

Tyto údaje byly získány při pokusech na pokusných zvířatech, nicméně genetici naznačují, že podobné účinky se mohou týkat i lidského těla.

Studium účinků expozice rentgenovým zářením umožnilo rozvoj mezinárodní standardy na povolené dávky záření.

Dávky rentgenového záření v rentgenové diagnostice

Mnoho pacientů má po návštěvě rentgenového sálu obavy – jak se přijatá dávka záření projeví na jejich zdraví?

Dávka celkového ozáření těla závisí na charakteru výkonu. Pro usnadnění porovnáme přijatou dávku s přirozenou expozicí, která člověka provází po celý život.

1. Radiografie: hruď- přijatá dávka záření odpovídá 10 dnům ozáření pozadí; horní žaludek a tenké střevo - 3 roky.
2. Počítačová tomografie břišní dutiny a pánve, stejně jako celé tělo - 3 roky.
3. Mamografie - 3 měsíce.
4. Rentgenové vyšetření končetin je prakticky neškodné.
5. U zubního rentgenu je dávka záření minimální, protože pacient je vystaven úzkému svazku rentgenových paprsků s krátkou dobou trvání záření.

Tyto dávky záření splňují přijatelné standardy, ale pokud pacient pociťuje před rentgenem úzkost, má právo požádat o speciální ochrannou zástěru.

Expozice rentgenových paprsků těhotným ženám

Každý člověk musí opakovaně absolvovat rentgenové vyšetření. Existuje však pravidlo - tato diagnostická metoda nemůže být předepsána těhotným ženám. Vyvíjející se embryo je extrémně zranitelné. Rentgenové záření může způsobit chromozomální abnormality a v důsledku toho narození dětí s malformacemi. Nejzranitelnější je v tomto ohledu gestační věk do 16 týdnů. Navíc je pro budoucí miminko nejnebezpečnější rentgenový snímek páteře, pánve a břicha.

Lékaři, kteří vědí o škodlivém vlivu rentgenového záření na těhotenství, se ho během tohoto klíčového období v životě ženy vyhýbají všemi možnými způsoby.

Existují však vedlejší zdroje rentgenového záření:

• elektronové mikroskopy;
• barevné TV kineskopy atd.

Nastávající maminky by si měly být vědomy nebezpečí, které jim hrozí.

Pro kojící matky není radiodiagnostika nebezpečná.

Co dělat po rentgenu

Chcete-li se vyhnout i minimálním účinkům expozice rentgenovým zářením, lze provést několik jednoduchých kroků:

• po rentgenu vypijte sklenici mléka - odstraňuje malé dávky záření;
• velmi užitečné vzít sklenici suchého vína nebo hroznové šťávy;
• nějakou dobu po zákroku je vhodné zvýšit podíl potravin s vysokým obsahem jódu (mořské plody).

K odstranění záření po rentgenovém snímku však nejsou nutné žádné lékařské postupy ani zvláštní opatření!

Navzdory nepochybně závažným následkům vystavení rentgenovému záření by se nemělo při lékařských prohlídkách přeceňovat jejich nebezpečí – provádějí se pouze v určitých oblastech těla a velmi rychle. Výhody z nich mnohonásobně převyšují riziko tohoto zákroku pro lidský organismus.