Характеристическое рентгеновское излучение — студенческий портал

Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал

Непрерывный рентгеновский спектр Возникает при торможении заряженных частиц (электронов) в кулоновском (электростатическом) поле ядер e- e-

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ренгтеновские спектры Теория характеристического излучения была разработана Косселем в 1916 году на основе боровской модели атома • Электроны атома находятся на K-, L-, M-, N- и т. д. Оболочках, которые делятся на подоболочки (I, III…) • При переходах электрона с оболочки на оболочку возникает излучение в рентгеновском диапазоне

Атомные оболочки и подоболочки Оболочка n l j=l+s K 1 0 1/2 LI 2 0 1/2 LII 2 1 1/2 LIII 2 1 3/2

MV MIII MI Электроны, Kβ 1 рентгеновское излучение LIII LI Kα 1 Kα 2 hν K Вакансия

На одной из внутренних оболочек возникает вакансия. Электрон улетает за пределы атома (фотоэлектрон).

При этом атом ионизуется За счет чего? Например, за счет столкновения с ускоренными электронами из внешнего источника или рентгеновским излучением На вакантное место ( «дырку» ) через 10 -16– 10 -15 с переходят электроны из внешних оболочек. Разница в энергии при этом выделяется в виде кванта рентгеновского излучения

Характеристический рентгеновский спектр состоит из серий Серии расположены по MV возрастанию длин волн MIII MIV MII (по убыванию энергии) MI Kβ 1 К-серия самая LII ; LIII коротковолновая LI далее следуют L-, M-серии и т. д. K Kα 1 Kα 2

Характеристические линии Тормозной непрерывный спектр (континуум)

Закон Мозли Устанавливает зависимость между положениями линий в рентгеновском спектре и зарядом ядра

Таким образом, положение линий в спектре строго характерно для каждого элемента Это основа качественного элементного анализа

Источники рентгеновского излучения Радиоактивные источники (на основе К- захвата электрона из К-оболочки ядром) Рентгеновская трубка Поток электронов в электронном микроскопе (в одном приборе совмещают электронную микроскопию и рентгеновский анализ)

Рентгеновская трубка Вакуумированный баллон (10 -3 – 10 -4 Па) Вольфрамовая спираль, при нагревании которой испускаются электроны (термокатод) Массивная металлическая мишень (анод или антикатод из W, Mo, Cu) Между анодом и катодом приложено небольшое ускоряющее напряжение Быстро движущиеся электроны попадают на анод и возбуждают рентгеновское излучение, которое выходит из рентгеновской трубки через специальное бериллиевое окно

Рентгеновская трубка с термокатодом

Монохроматизация (разложение в спектр) рентгеновского излучения Основана на явлении дифракции рентгеновских лучей Дифракция лучей на решетке описывается уравнением

где m — целое число (порядок дифракции) d — постоянная решетки — угол падения луча с длиной волны Для рентгеновских лучей с длиной волны порядка 10 -9 м (предположив m = 1 и нормальный угол падения) получим d порядка 10 -9 м Эта величина соответствует межплоскостным расстояниям в кристалле Таким образом, для разложения рентгеновского излучения в спектр используют специальные кристаллы-анализаторы

Условие Вульфа-Брэгга

Рентгеновский монохроматор, установленный на круге Роуланда

Регистрация рентгеновского излучения Все методы основаны на ионизации вещества под действием рентгеновского излучения или сцинтилляции Фотографический способ Ионизационная камера и счетчик Гейгера-Мюллера Пропорциональный счетчик Сцинтилляционный счетчик Полупроводниковый Si-Li детектор

Пропорциональный счетчик

Полая металлическая трубка, по оси которой натянута тонкая проволока Между катодом и анодом прикладывают напряжение 2 к.

В Заполнена газом (Р 10 – 10% метана в аргоне) Рентгеновское излучение попадает через боковое прозрачное окно Рентгеновское излучение ионизирует газ Ионы двигаются к электродам, по пути ионизируя другие атомы газа (газовое усиление) В цепи течет ток, на сопротивлении возникает напряжение, пропорциональное энергии фотона

ЗАДАНИЕ В качестве кристаллов для спектрометров часто используют кварц с межплоскостным расстоянием 0. 425 нм. Для первого порядка отражения и угла падения лучей 30 градусов рассчитать длину волны дифрагирующего излучения.

Источник: https://present5.com/rentgenovskoe-izluchenie-osobennosti-rentgenovskogo/

Интенсивность характеристического рентгеновского излучения меди

Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал Лабораторный практикум НИЯУ МИФИ

  Цель: Исследование характеристического рентгеновского излучения меди, изучение зависимостей интенсивности характеристических линий CuKα и CuKβ от тока и напряжения на аноде рентгеновской трубки.

ТЕОРИЯ


     В данной работе изучается рентгеновское излучение, возни-кающее при столкновении электронов высоких энергий с металли-ческим анодом рентгеновской трубки, устройство которой схема-тически показано на рис. 1. В простейшем случае в стеклянном баллоне с высоким вакуумом расположены два металлических электрода: катод — К, представляющий собой нагреваемую током вольфрамовую нить, и анод (антикатод) — А в виде массивного ме-таллического стержня. За счет термоэлектронной эмиссии с катода создается поток электронов, который ускоряется в межэлектродном пространстве и бомбардирует анод. Для того чтобы возникло рент-геновское излучение, напряжение в межэлектродном пространстве трубки должно быть порядка нескольких десятков киловольт.Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал
Рис. 1
     При торможении на атомах мишени электроны движутся с ус-корением, что приводит к излучению электромагнитных волн в рентгеновском диапазоне. Такой вид излучения, называемый тор-мозным, обладает непрерывным спектром и его свойства совер-шенно не зависят от материала анода.
     При сравнительно небольших энергиях бомбардирующих анод электронов, обусловленных невысоким напряжением на трубке, наблюдается только тормозное излучение. Но по мере увеличения напряжения кинетическая энергия электронов возрастает до значе-ний достаточных для ионизации атомов материала анода. В том числе оказываются возможными процессы выбивания электронов из заполненных внутренних электронных оболочек атомов. Время жизни возбуждённого состояния иона очень мало, поскольку для электронов, находящихся на более высоких оболочках, становится энергетически выгодным переход на освободившееся место. Таким образом, вакансии во внутренних оболочках, возникающие вслед-ствие ионизации, заполняются за счет серии (каскада) переходов электронов из внешних оболочек атомов. Возбужденные атомы (точнее, ионы), переходящие в основное энергетическое состояние, испускают несколько рентгеновских квантов. В результате возни-кает линейчатый спектр, называемый характеристическим, длины волн которого зависят от структуры энергетических уровней ато-мов, из которых состоит вещества анода. Для наблюдения характе-ристического излучения необходимо, чтобы напряжение на рентге-новской трубке превосходило некоторое определенное значение, зависящее от материала анода.
     Зависимости интенсивности рентгеновского излучения от энер-гии квантов, т.е. рентгеновские спектры, наблюдаемые экспери-ментально, являются суперпозицией сплошного спектра тормозно-го излучения и линейчатого спектра характеристического излуче-ния, который проявляется в виде отдельных пиков.

     Структура энергетических уровней ионизованного атома, отвечающих характеристическому рентгеновскому излучению, приведена в работе 5-19а на рис. 19а.2. Если выбивается электрон с К-оболочки атома, то образуется вакансия, которая затем может быть заполнена электронами из L-, M- и других оболочек.

Энергетиче-ские уровни этих оболочек расщеплены, поэтому испускаемое при переходах между уровнями энергии излучение образует линии К-серии характеристического излучения элемента материала анода (в первом случае возникает линия , во втором — линия ), частоты ν которых определяются соотношением:

hν=Ek-EL(M),

где h=6,6256*10-34Дж*с постоянная Планка; Ek , EL(M) , энергии соответствующих электронных оболочек.
     Энергия испускаемого рентгеновского фотона может быть рас-считана по формуле:

E=hν=hc/λ

     Из всех возможных переходов на К-оболочку наибольшую вероятность осуществления имеют переходы из L-оболочки. Переходы из удаленных оболочек (M, N и т.д.) менее вероятны и поэтому в К-серии наибольшую интенсивность имеют -линии. Интенсивность линии составляет не более 25% от интенсивности — линии. Остальные линии этой серии имею незначительную интенсивность.
Согласно эмпирической формуле интенсивность R характеристического излучения K-серии зависит от величины анодного тока IA и анодного напряжения UA по следующему закону:

R=BIA(UA-UK)1,5

где коэффициент пропорциональности B постоянная величина, характерная для каждого вида рентгеновских трубок и определяемая экспериментальным путём; UK ионизирующий потенциал К-оболочки, который является порогом возбуждения К-серии.
     Спектральный состав рентгеновского излучения можно проанализировать с помощью дифракции излучения на монокристалле. При падении рентгеновского излучения на монокристалл, который можно рассматривать как систему параллельных и равноотстоящих атомных плоскостей (рис. 2), взаимное усиление рассеянных волн происходит в направлениях, для которых разность хода δ=AB+BC волн, отраженных от соседних параллельных атомных плоскостей решетки, составляет одну или несколько длин волн.Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал
     Данное условие описывается уравнением Брэгга — Вульфа:Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий портал
где d — межплоскостное расстояние; θ — угол скольжения падаю-щего и отраженного рентгеновского излучения; λ — длина волны рентгеновского излучения; n=1,2… — порядок дифракции.
     Для используемого в данной работе монокристалла LiF, вырезанного вдоль кристаллографической плоскости (100), межплоскостное расстояние d=201,4 пм.
     На рисунке 3 показаны результаты регистрации интенсивности рентгеновского излучения меди R (в данном случае это величина, пропорциональная количеству квантов рентгеновского излуче-ния, попавших в окно датчика в единицу времени) в зависимости от угла скольжения θ . Видно, что отчетливо выраженные пики характеристического излучения меди наложены на сплошное тормозное излучение. Первая пара пиков отвечает K-серии излучения в первом порядке дифракции (n=1) . Углу скольжения 20° соответствует линия , углу 23° — линия . Вторая пара пиков (углы скольжения Θ приблизительно 44° и 50°) отвечает второму порядку дифракции (n=2).
Характеристическое рентгеновское излучение - Студенческий порталРис. 3

Читайте также:  Валютная биржа - студенческий портал

Источник: https://mephi.ru/physlab/labs/lab_5-20/

Решу впр

Рентгеновское излучение

Рентгеновские лучи (первоначально названные Х-лучами) были открыты в 1895 г. немецким физиком Рентгеном. Открыв Х-лучи, Рентген тщательными опытами выяснил условия их образования.

Он установил, что эти лучи возникают при торможении на веществе быстро летящих электронов.

Исходя из этого обстоятельства, Рентген сконструировал и построил специальную трубку, удобную для получения рентгеновских лучей (см. рис. 1).

Рентгеновские трубки представляют собой стеклянные вакуумные баллоны с расположенными внутри электродами. Разность потенциалов на электродах нужна очень высокая — до сотен киловольт.

На вольфрамовом катоде, подогреваемом током, происходит термоэлектронная эмиссия, то есть с него испускаются электроны, которые, ускоряясь электрическим полем, «бомбардируют» анод.

В результате взаимодействия быстрых электронов с атомами анода рождаются фотоны рентгеновского диапазона.

Было установлено, что чем меньше длина волны рентгеновского излучения, тем больше проникающая способность лучей. Рентген назвал лучи с высокой проникающей способностью (слабо поглощающиеся веществом) жёсткими.

Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Электроны могут, встречаясь с анодом, тормозиться, то есть терять энергию в электрических полях его атомов. Эта энергия излучается в виде рентгеновских фотонов. Такое излучение называется тормозным.

Тормозное излучение содержит фотоны разных частот и, соответственно, длин волн. Поэтому спектр его является сплошным (непрерывным). Энергия излучаемого фотона не может превышать кинетическую энергию порождающего его электрона.

Кинетическая же энергия электронов зависит от приложенной к электродам разности потенциалов.

Механизм получения характеристического излучения следующий. Быстрый электрон может проникнуть внутрь атома и выбить какой-либо электрон с одной из нижних орбиталей, то есть передать ему энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.

Образовавшаяся в результате выбивания вакансия заполняется электроном с одного из вышележащих уровней. Занимая более низкий уровень, электрон излучает излишек энергии в форме кванта характеристического рентгеновского излучения.

Наиболее быстрые электроны могут выбить электрон с K-оболочки, менее быстрые — с L-оболочки и т.д. (рис. 2а).

Электронная структура атома — это дискретный набор возможных энергетических состояний электронов.

Поэтому рентгеновские фотоны, излучаемые в процессе замещения электронных вакансий, также могут иметь только строго определённые значения энергии, соответствующие разности уровней.

Вследствие этого характеристическое рентгеновское излучение обладает спектром не сплошного, а линейчатого вида. Такой спектр позволяет характеризовать вещество анода — отсюда и название этих лучей. На рис. 2б показан характеристический спектр на фоне тормозного спектра.

Источник: https://vpr.sdamgia.ru/problem?id=1472

Рентгеновское излучение и его применение в медицине

Дугиева Д. А. Рентгеновское излучение и его применение в медицине // Молодой ученый. — 2020. — №2. — С. 5-7. — URL https://moluch.ru/archive/292/66218/ (дата обращения: 21.03.2020).



В 1835 году немецким знаменитым физиком Вильгельмом Рентгеном был обнаружен новый, ранее не известный вид электромагнитного излучения, которое было названо в честь своего открывателя-рентгеновским.

Проводя опыты по проникновению тока между двумя электродами в вакууме, он обнаружил, что экран, который был покрыт люминесцентным веществом бария, светится, в то время как разрядная трубка была закрыта черным картонным экраном.

Таким образом, было получено излучение, которое проникает через непрозрачные помехи, названое Рентгеном Х-лучами. Рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Проходя через исследуемый объект и падая на фотоплёнку, рентгеновское излучение показывает на ней его внутреннюю структуру.

Так как пронизывающая способность рентгеновского излучения для разных материалов различна, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает лучше.

Костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено.

Возникновение рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи возникают, когда с газоразрядной трубкой низкого давления сталкиваются электроны, движущиеся с большими скоростями. Нынешняя рентгеновская трубка представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, содержащий в себе катод и анод.

Катод является вольфрамовой нитью, которая нагревается электрическим током. В результате термоэлектронной эмиссии это приводит к испусканию катодов электронов. В рентгеновской трубке электроны ускоряются электрическим полем.

Из-за того, что в трубке малое число молекул газа, электроны по пути к аноду не теряют своей энергии, с очень большой скоростью они достигают анода.

Рентгеновские лучи появляются тогда, когда электроны, движущиеся с большой скоростью, тормозятся материалом анода. В рентгеновской трубке он должен быть сделан из металла, который имеет высокую температуру плавления, например, из металла.

Анод необходимо искусственно охлаждать, так как часть энергии электронов рассеивается в виде тепла, а та часть энергии, которая не рассеивается, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи).

Таким образом, результатом бомбардировки электронами вещества анода являются рентгеновские лучи.

Рентгеновское излучение, исходящее из антикатода трубки, состоит из двух частей. Первая-это есть тормозное излучение, которое возникает при торможении электронов в антикатоде. Его свойства никак не зависят от материала анода.

Тормозное излучение при разложении по длинам волн даёт сплошной спектр, как и спектр видимого белого света. В сторону длинных волн интенсивность тормозного излучения спадает и стремится к нулю, а со стороны коротких волн сплошной спектр резко обрывается.

Такая особенность рентгеновского сплошного излучения объясняется его квантовой природой. Она никак не зависит от материала антикатода, определяется только напряжением на трубке.

Вторая часть — это характеристическое излучение. Оно, напротив, имеет линейчатый спектр, т. е. состоит из определенно расположенных узких спектральных линий.

При переходе атома с одного энергетического уровня на другой возникает линия характеристического излучения. Их длины волн зависят от материала анода.

Данное излучение появляется лишь тогда, когда напряжение на трубке начинает превышать определённое значение, которое зависит лишь от материала анода.

Помимо рентгеновской трубки, источником рентгеновского излучения может быть радиоактивный изотоп, одни испускают рентгеновское излучение, а другие испускают электроны, возбуждающие рентгеновское излучение при бомбардировки металлических мишеней. Для радиоактивных источников интенсивность излучения меньше, чем рентгеновской трубки. Радиоактивные примеси замечены в минералах, отмечено также рентгеновское излучение космических объектов и звёзд.

Рентгеновское излучение вмедицине.

Рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью и своё применение они нашли в диагностике. В первое время после открытия рентгеновское излучение применялось для исследования переломов костей и определения инородных тел (например, пули) в теле человека. В настоящее время применяют несколько методов, основанных на рентгеновском излучении.

Читайте также:  Причины и стратегии выбора посредников - студенческий портал

Рентгеноскопия — этот метод даёт изучить функциональное состояние органов. Рентгеновский прибор состоит из рентгеновской трубки и флюоресцирующего экрана. Для того, чтобы защитить врача от воздействия рентгеновских лучей, между глазами врача и экраном устанавливают свинцовое окно. Недостатки данного метода-большие дозы излучения, которые получает пациент во время процедуры.

Флюорография. Данный диагностический метод позволяет получить фотографию с изображением органов и тканей. Чаще всего используют флюорографию грудной клетки, для диагностики заболеваний лёгких, сердца, грудной клетки и иные патологии.

Рентгенотерапия — это нынешний метод, позволяющий производить лечение заболеваний неонкологического профиля, причем как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами.

Она направлена на снижение воспалительной реакции, подавление болевой чувствительности и секреторной активности желез. Наиболее чувствительны к рентгеновским лучам лейкоциты, клетки злокачественных опухолей, половые железы и кроветворные органы.

В каждом случае дозу облучения следует определять индивидуально.

В 1901 году Рентгену за открытие рентгеновских лучей в области физики была присуждена Нобелевская премия. Таким образом, рентгеновские лучи, представляющие собой невидимые электромагнитные излучения с длиной волны 102–105 нм, имеют способность проникать через непрозрачные материалы для видимого света.

Испускаются они при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр) и при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр). Приёмники рентгеновского излучения-люминесцентные экраны, фотоплёнка, а источниками являются- ускорители рентгеновская трубка, накопители электронов и радиоактивные изотопы.

Применяются в медицине, рентгеновском анализе и т. д.

Литература:

  1. Кудрявцев П. С. «История физики»-М., 1956
  2. Кудрявцев П. С. «Курс физики»-М., Просвещение, 1974.
  3. Савельев И. В. «Курс физики»-М., Наука, 1989.
  4. Храмов Ю. А. «Физика»-М., Наука, 1983.
  5. Сивухин Д. В. «Атомная и ядерная физика»-М., ФИЗМАТЛИТ, 1989, Изд-во МФТИ, 2002.

Основные термины (генерируются автоматически): рентгеновское излучение, рентгеновская трубка, материал анода, тормозное излучение, луч, сплошной спектр, грудная клетка, линейчатый спектр, длина волн, характеристическое излучение.

Источник: https://moluch.ru/archive/292/66218/

Рентгеновское излучение и его применение в медицине

Природа рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами.

Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка.

Трубка оказалась источником излучения, которое могло проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора сантиметра.

Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами

Теперь известно, что X-лучи — вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10-5нм.

Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи.

Они обладают огромной проникающей способностью.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи возникают, когда быстрые электроны, или катодные лучи, сталкиваются со стенками или анодом газоразрядной трубки низкого давления. Современная рентгеновская трубка представляет собой вакуумизированный стеклянный баллон с расположенными в нем катодом и анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом (антикатодом), достигает несколько сотен киловольт.

Катод представляет собой вольфрамовую нить, подогреваемую электрическим током. Это приводит к испусканию катодом электронов в результате термоэлектронной эмиссии. Электроны ускоряются электрическим полем в рентгеновской трубке. Поскольку в трубке очень небольшое число молекул газа, то электроны по пути к аноду практически не теряют своей энергии.

Они достигают анода с очень большой скоростью.

Рентгеновские лучи возникают всегда, когда движущиеся с высокой скоростью электроны тормозятся материалом анода. Большая часть энергии электронов рассеивается в виде тепла. Поэтому аноде необходимо искусственно охлаждать. Анод в рентгеновской трубке должен быть сделан из металла, имеющего высокую температуру плавления, например, из вольфрама.

Часть энергии, не рассеивающая в форме тепла, превращается в энергию электромагнитных волн (рентгеновские лучи). Таким образом, рентгеновские лучи являются результатом бомбардировки электронами вещества анода. Есть два типа рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

Тормозное рентгеновское излучение

Тормозное рентгеновское излучение возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию рентгеновского излучения переходят различные части их кинетической энергии.

Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы вещества анода. Как известно, энергия фотонов рентгеновских лучей определяет их частоту и длину волны. Поэтому тормозное рентгеновское излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром.

Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.

Характеристическое рентгеновское излучение

Характеристическое рентгеновское излучение имеет не сплошной, а линейчатый спектр. Этот тип излучения возникает, когда быстрый электрон, достигая анода, проникает во внутренние орбитали атомов и выбивает один из их электронов.

В результате появляется свободное место, которое может быть заполнено другим электроном, спускающимся с одной из верхних атомных орбиталей. Такой переход электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень вызывает рентгеновское излучение определенной дискретной длины волны.

Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр. Частота линий характеристического излучения полностью зависит от структуры электронных орбиталей атомов анода.

Линии спектра характеристического излучения разных химических элементов имеют одинаковый вид, поскольку структура их внутренних электронных орбитальных идентична. Но длина их волны и частота, благодаря энергетическим различиям между внутренними орбиталями тяжелых и легких атомов.

  • Частота линий спектра характеристического рентгеновского излучения изменяется в соответствие с атомным номером металла и определяется уравнением Мозли: v1/2=A(Z-B), где Z — атомный номер химического элемента, A и B — константы.
  • Первичные физические механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом
  • Для первичного взаимодействия между рентгеновским излучением и веществом характерно три механизма:

1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома.

В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения.

При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной.

2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома.

Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения.

Читайте также:  Априорное и апостериорное - студенческий портал

Атом, который теряет один из своих электронов, становится положительным ионом. Продолжительность существования свободных электронов очень коротка. Они поглощаются нейтральными атомами, которые превращаются при этом в отрицательные ионы. Результатом фотоэлектрического эффекта является интенсивная ионизация вещества.

Если энергия фотона рентгеновского излучения меньше, чем энергия ионизации атомов, то атомы переходят в возбужденное состояние, но не ионизируются.

3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны.

Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества.

Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром.

Высокоэнергетический фотон передает электрону некоторую часть своей энергии. Возбужденный электрон высвобождается из атома.

Оставшаяся часть энергии первоначального фотона излучается в виде фотона рентгеновского излучения большей длины волны под некоторым углом к направлению движения первичного фотона.

Вторичный фотон может ионизировать другой атом и т.д. Эти изменения направления и длины волны рентгеновских лучей известны как эффект Комптона.

Некоторые эффекты взаимодействия рентгеновского излучения с веществом

Как было упомянуто выше, рентгеновские лучи способны возбуждать атомы и молекулы вещества. Это может вызывать флюоресценцию определенных веществ (например, сульфата цинка). Если параллельный пучок рентгеновских лучей направить на непрозрачные объекты, то можно наблюдать как лучи пройдут сквозь объект, поставив экран, покрытый флюоресцирующим веществом.

Флуоресцентный экран можно заменить фотографической пленкой. Рентгеновские лучи оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и свет. Оба метода используются в практической медицине.

Другим важным эффектом рентгеновского излучения является их ионизирующая способность. Это зависит от их длины волны и энергии. Этот эффект обеспечивает метод для измерения интенсивности рентгеновского излучения. Когда рентгеновские лучи проходят через ионизационную камеру, возникает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности рентгеновского излучения.

Поглощение рентгеновского излучения веществом

При прохождении рентгеновских лучей через вещество их энергия уменьшается из-за поглощения и рассеяния.

Ослабление интенсивности параллельного пучка рентгеновских лучей, проходящих через вещество, определяется законом Бугера: I = I0·e-μd, где I0 — начальная интенсивность рентгеновского излучения; I — интенсивность рентгеновских лучей, прошедших через слой вещества, d – толщина поглощающего слоя, μ — линейный коэффициент ослабления. Он равен сумме двух величин: t — линейного коэффициента поглощения и σ — линейного коэффициента рассеяния: μ = τ+σ

В экспериментах обнаружено, что линейный коэффициент поглощения зависит от атомного номера вещества и длины волны рентгеновских лучей:

τ = kρZ3λ3, где k — коэффициент прямой пропорциональности, ρ — плотность вещества, Z – атомный номер элемента, λ — длина волны рентгеновских лучей.

Зависимость от Z очень важна с практической точки зрения. Например, коэффициент поглощения костей, которые состоят из фосфата кальция, почти в 150 раз превышает коэффициент поглощения мягких тканей (Z=20 для кальция и Z=15 для фосфора). При прохождении рентгеновских лучей через тело человека, кости четко выделяются на фоне мышц, соединительной ткани и т.п.

Известно, что пищеварительные органы имеют такую же величину коэффициента поглощения, как и другие мягкие ткани. Но тень пищевода, желудка и кишечника можно различить, если пациент примет внутрь контрастное вещество — сернокислый барий (Z=56 для бария).

Сернокислый барий очень непрозрачен для рентгеновских лучей и часто используется для рентгенологического обследования желудочно-кишечного тракта. Определенные непрозрачные смеси вводят в кровяное русло для того, чтобы исследовать состояние кровеносных сосудов, почек и т.п.

Как контрастное вещество в этом случае используют йод, атомный номер которого составляет 53.

Зависимость поглощения рентгеновских лучей от Z используют также для защиты от возможного вредного действия рентгеновского излучения. Для этой цели применяют свинец, величина Z для которого равна 82.

Применение рентгеновского излучения в медицине

Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность.

В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека.

В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика).

Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение.

Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту.

Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры.

Флюорография. Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения.

Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях.

Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа.

Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии.

Компьютерная рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.

Первое поколение компьютерных томографов (КT) включает специальную рентгеновскую трубку, которая прикреплена к цилиндрической раме. На пациента направляют тонкий пучок рентгеновских лучей. Два детектора рентгеновских лучей прикреплены к противоположной стороне рамы. Пациент находится в центре рамы, которая может вращаться на 1800 вокруг его тела.

Рентгеновский луч проходит через неподвижный объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости.

Затем рама поворачивается на 10, и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 1800. Каждый детектор записывает 28800 кадров (180×160) в течение исследования.

Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя.

Второе поколение КT использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 их детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд.

В третьем поколении КT используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5-6 секунд.

КТ имеет множество преимуществ по сравнению с более ранними методами рентгенодиагностики. Она характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей.

КТ позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами.

Кроме того, использование КT позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.all-fizika.com/

Дата добавления: 30.06.2013

Источник: https://www.km.ru/referats/333820-rentgenovskoe-izluchenie-i-ego-primenenie-v-meditsine

Ссылка на основную публикацию