Hol használják a röntgensugárzást? Jellemző röntgensugárzás: leírás, cselekvés, jellemzők

A röntgensugárzás a fizika szempontjából elektromágneses sugárzás, amelynek hullámhossza 0,001 és 50 nanométer között változik. 1895-ben fedezte fel a német fizikus, V. K. Roentgen.

Természetüknél fogva ezek a sugarak a nap ultraibolya sugárzásához kapcsolódnak. A rádióhullámok a leghosszabbak a spektrumban. Mögöttük jön az infravörös fény, amit a szemünk nem érzékel, de hőnek érezzük. Ezután jönnek a sugarak a vöröstől az ibolya felé. Ezután - ultraibolya (A, B és C). És közvetlenül mögötte a röntgen és a gamma-sugárzás.

A röntgensugarakat kétféleképpen lehet előállítani: az anyagon áthaladó töltött részecskék lassításával és az elektronok magasabb rétegekből a belső rétegekbe való átmenetével, amikor energia felszabadul.

A látható fénnyel ellentétben ezek a sugarak nagyon hosszúak, így képesek áthatolni az átlátszatlan anyagokon anélkül, hogy visszaverődnének, megtörnének vagy felhalmozódnának bennük.

A Bremsstrahlung könnyebben beszerezhető. A feltöltött részecskék fékezéskor elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. Minél nagyobb ezeknek a részecskéknek a gyorsulása, és ennélfogva minél élesebb a lassulás, annál több röntgensugárzás keletkezik, és a hullámok hossza rövidül. A legtöbb esetben a gyakorlatban a szilárd testekben lévő elektronok lassítása során sugártermeléshez folyamodnak. Ez lehetővé teszi ennek a sugárzásnak a forrását a sugárterhelés veszélye nélkül, mivel a forrás kikapcsolásakor a röntgensugárzás teljesen eltűnik.

Az ilyen sugárzás leggyakoribb forrása az, hogy az általa kibocsátott sugárzás inhomogén. Lágy (hosszúhullámú) és kemény (rövidhullámú) sugárzást egyaránt tartalmaz. A lágy sugárzásra jellemző, hogy az emberi szervezet teljesen elnyeli, így az ilyen röntgensugárzás kétszer akkora kárt okoz, mint a kemény sugárzás. Ha az emberi szövetben túlzott elektromágneses sugárzásnak van kitéve, az ionizáció károsíthatja a sejteket és a DNS-t.

A csőnek két elektródája van - egy negatív katód és egy pozitív anód. A katódot felmelegítve az elektronok elpárolognak belőle, majd elektromos térben felgyorsulnak. Amikor az anódok szilárd anyagával szembesülnek, lassulni kezdenek, ami elektromágneses sugárzás kibocsátásával jár.

A röntgensugárzás, amelynek tulajdonságait széles körben használják az orvostudományban, a vizsgált tárgy árnyékképének érzékeny képernyőn történő készítésén alapul. Ha a diagnosztizált szervet egymással párhuzamos sugárnyalábban világítják meg, akkor az árnyékok vetülete ebből a szervből torzítás nélkül (arányosan) továbbítódik. A gyakorlatban a sugárforrás jobban hasonlít a pontforráshoz, ezért az embertől és a képernyőtől távol helyezik el.

Ennek megszerzéséhez egy személyt helyeznek a röntgencső és egy képernyő vagy film közé, amely sugárvevőként működik. A besugárzás hatására a csont és más sűrű szövetek nyilvánvaló árnyékként jelennek meg a képen, kontrasztosabban jelennek meg a kevésbé kifejező területek hátterében, amelyek kisebb felszívódású szöveteket közvetítenek. A röntgenfelvételeken a személy „áttetszővé” válik.

Ahogy a röntgensugarak terjednek, szétszóródhatnak és felszívódhatnak. A sugarak több száz métert is megtehetnek a levegőben, mielőtt elnyelnék. Sűrű anyagban sokkal gyorsabban szívódnak fel. Az emberi biológiai szövetek heterogének, így a sugárzás elnyelése a szervszövet sűrűségétől függ. gyorsabban nyeli el a sugarakat, mint a lágyszövetek, mert nagy atomszámú anyagokat tartalmaz. A fotonokat (egyedi sugárrészecskéket) az emberi test különböző szövetei különböző módon nyelték el, ami lehetővé teszi a kontrasztkép készítését röntgensugarak segítségével.

Bár a tudósok csak az 1890-es évek óta fedezték fel a röntgensugarak hatását, a röntgensugarak orvosi felhasználása erre a természeti erőre gyorsan fejlődött. Napjainkban az emberiség érdekében a röntgen-elektromágneses sugárzást az orvostudományban, a tudományos életben és az iparban, valamint elektromos áram előállítására használják.

Ezen kívül a sugárzásnak hasznos alkalmazásai vannak olyan területeken, mint a mezőgazdaság, a régészet, az űrkutatás, a bűnüldözés, a geológia (beleértve a bányászatot is) és sok más tevékenység, sőt az atommaghasadás jelenségét felhasználva autókat is fejlesztenek.

A röntgensugarak orvosi felhasználása

Az egészségügyi intézményekben az orvosok és fogorvosok különféle nukleáris anyagokat és eljárásokat használnak az emberi szervezetben előforduló anyagcsere-folyamatok és betegségek széles körének diagnosztizálására, monitorozására és kezelésére. Ennek eredményeként a nyalábokat használó orvosi eljárások több ezer életet mentettek meg a pajzsmirigy túlműködésétől a csontrákig terjedő betegségek kimutatásával és kezelésével.

Az ilyen orvosi eljárások közül a leggyakoribb olyan sugarak használata, amelyek áthatolnak a bőrünkön. Amikor egy képet készítünk, úgy tűnik, hogy csontjaink és más szerkezeteink árnyékot vetnek, mert sűrűbbek, mint a bőrünk, és ezek az árnyékok észlelhetők a filmen vagy a monitor képernyőjén. A hatás hasonló ahhoz, mintha ceruzát helyeznénk egy papírlap és egy lámpa közé. A ceruza árnyéka látható lesz a papírlapon. A különbség az, hogy a sugarak láthatatlanok, ezért szükség van egy rögzítő elemre, valamire, mint a fotófilmre. Ez lehetővé teszi az orvosok és fogorvosok számára, hogy értékeljék a röntgensugarak használatát, amikor csonttörést vagy fogászati ​​problémákat látnak.

A röntgensugárzás alkalmazása gyógyászati ​​célokra

A röntgensugárzás célzott, terápiás célú alkalmazása nem csak a károsodások kimutatására szolgál. Kifejezetten alkalmazva a rákos szövetek elpusztítására, a daganat méretének csökkentésére vagy a fájdalom csökkentésére szolgál. Például a radioaktív jódot (különösen a jód-131-et) gyakran használják a pajzsmirigyrák kezelésére, amely állapot sok embert érint.

Az ezt a tulajdonságot használó eszközök számítógépekhez is csatlakoznak, és szkennelnek, úgynevezett komputer axiális tomográfia vagy számítógépes tomográfia.

Ezek a műszerek színes képeket biztosítanak az orvosoknak, amelyek a belső szervek körvonalait és részleteit mutatják. Ez segít az orvosoknak felderíteni és azonosítani a daganatokat, méretbeli eltéréseket vagy más fiziológiai vagy funkcionális szervi problémákat.
Emellett a kórházak és radiológiai központok évente több millió beavatkozást végeznek. Az ilyen eljárások során az orvosok enyhén radioaktív anyagokat bocsátanak ki a betegek szervezetébe, hogy megvizsgálják bizonyos belső szerveket, például a hasnyálmirigyet, a vesét, a pajzsmirigyet, a májat vagy az agyat, és így diagnosztizálják a klinikai állapotokat.

1895-ben a német fizikus, Roentgen kísérleteket végzett két elektróda közötti áram vákuumban történő áthaladásával kapcsolatban, és felfedezte, hogy egy lumineszcens anyaggal (báriumsóval) borított képernyő világít, bár a kisülőcsövet fekete kartonpapír borítja - ez így a sugárzás áthatol az átlátszatlan korlátokon, amelyeket röntgensugárzásnak neveznek. Felfedezték, hogy az ember számára láthatatlan röntgensugárzás az átlátszatlan tárgyakban minél erősebben, minél nagyobb a gát rendszáma (sűrűsége) nyelődik el, így a röntgensugarak könnyen átjutnak az emberi test lágy szövetein, de a csontváz csontjai tartják vissza. Erőteljes röntgensugarak forrásait úgy tervezték, hogy lehetővé tegyék a fém alkatrészek megvilágítását és a belső hibák megtalálását.

Laue német fizikus azt javasolta, hogy a röntgensugarak ugyanolyan elektromágneses sugárzás, mint a látható fénysugarak, de rövidebb hullámhosszúak, és az optika minden törvénye érvényes rájuk, beleértve a diffrakció lehetőségét is. A látható fény optikájában az elemi szintű diffrakció a fény visszaverődéseként ábrázolható egy vonalrendszerről - diffrakciós rácsról, amely csak bizonyos szögekben fordul elő, és a sugarak visszaverődési szöge a beesési szöggel függ össze. , a diffrakciós rács vonalai és a beeső sugárzás hullámhossza közötti távolság. A diffrakció létrejöttéhez a vonalak közötti távolságnak megközelítőleg egyenlőnek kell lennie a beeső fény hullámhosszával.

Laue azt javasolta, hogy a röntgensugarak hullámhossza közel van a kristályok egyes atomjai közötti távolsághoz, azaz. a kristályban lévő atomok diffrakciós rácsot hoznak létre a röntgensugárzás számára. A kristály felületére irányított röntgensugarak visszaverődtek a fényképező lemezre, ahogy azt az elmélet megjósolta.

Az atomok helyzetében bekövetkező bármilyen változás befolyásolja a diffrakciós mintázatot, és a röntgendiffrakció tanulmányozásával megtudható az atomok elrendeződése egy kristályban, és ennek változása a kristályt érő bármilyen fizikai, kémiai és mechanikai hatás hatására.

Napjainkban a tudomány és a technika számos területén alkalmazzák a röntgenanalízist, a meglévő anyagokban az atomok elrendezését határozták meg, és új anyagokat hoztak létre adott szerkezettel és tulajdonságokkal. Az ezen a területen elért közelmúltbeli fejlemények (nanoanyagok, amorf fémek, kompozit anyagok) tevékenységi területet teremtenek a következő tudományos generációk számára.

A röntgensugárzás előfordulása és tulajdonságai

A röntgensugarak forrása egy röntgencső, amelynek két elektródája van - egy katód és egy anód. A katód felmelegítésekor a katódból kilépő elektronok az elektromos tér hatására felgyorsulnak, és az anód felületére ütköznek. A röntgencsövet a hagyományos rádiócsövektől (diódáktól) elsősorban a nagyobb gyorsítófeszültség (több mint 1 kV) különbözteti meg.

Amikor egy elektron elhagyja a katódot, az elektromos tér arra kényszeríti, hogy az anód felé repüljön, miközben az elektron folyamatosan növekszik egy mágneses mezőben, amelynek erőssége az elektron sebességének növekedésével nő. Az anód felületét elérve az elektron élesen lelassul, és egy bizonyos intervallumban hullámhosszú elektromágneses impulzus jelenik meg (bremsstrahlung). A sugárzás intenzitása hullámhosszonkénti eloszlása ​​a röntgencső anódanyagától és az alkalmazott feszültségtől függ, míg a rövidhullámú oldalon ez a görbe egy bizonyos küszöb-minimális hullámhosszal kezdődik, az alkalmazott feszültség függvényében. Az összes lehetséges hullámhosszú sugarak kombinációja folytonos spektrumot alkot, és a maximális intenzitásnak megfelelő hullámhossz a minimális hullámhossz másfélszerese.

A feszültség növekedésével a röntgenspektrum drámaian megváltozik az atomok és a nagyenergiájú elektronok kölcsönhatása és a primer röntgensugarak kvantumai miatt. Egy atom belső elektronhéjakat (energiaszinteket) tartalmaz, amelyek száma az atomszámtól függ (K, L, M stb. betűkkel jelöljük) Az elektronok és a primer röntgensugárzás az elektronokat egyik energiaszintről a másikra veri ki. Metastabil állapot jön létre, és a stabil állapotba való átmenethez az elektronok ellenkező irányú ugrása szükséges. Ezt az ugrást egy energiakvantum felszabadulása és a röntgensugárzás megjelenése kíséri. Ellentétben a folytonos spektrumú röntgensugárzással, ennek a sugárzásnak nagyon szűk hullámhossz-tartománya és nagy intenzitása van (jellegzetes sugárzás) ( cm. rizs.). A karakterisztikus sugárzás intenzitását meghatározó atomok száma például egy 1 kV feszültségű és 15 mA áramerősségű réz anódos röntgencsőnél 10 14 – 10 15 atom hoz létre karakterisztikát; sugárzás 1 s alatt. Ezt az értéket a röntgensugárzás összteljesítményének és a K-héjból származó röntgenkvantum energiájához viszonyított arányaként számítják ki (a röntgensugár karakterisztikus sugárzás K-sorozata). A röntgensugárzás összteljesítménye az energiafogyasztásnak mindössze 0,1%-a, a többi főként a hővé alakulás miatt vész el.

Magas intenzitásuk és szűk hullámhossz-tartományuk miatt a természettudományos kutatásban és a folyamatirányításban alkalmazott fő sugárzási típusok a karakterisztikus röntgensugarak. A K-sorozatú sugarakkal egyidejűleg L és M-sorozatú sugarak keletkeznek, amelyek hullámhossza lényegesen nagyobb, de felhasználásuk korlátozott. A K-sorozatnak két közeli a és b hullámhosszú komponense van, míg a b-komponens intenzitása 5-ször kisebb, mint a. Az a-komponenst viszont két nagyon közeli hullámhossz jellemzi, amelyek közül az egyik intenzitása 2-szer nagyobb, mint a másik. Az egy hullámhosszú sugárzás (monokromatikus sugárzás) előállítására speciális módszereket fejlesztettek ki, amelyek a röntgensugárzás abszorpciójának és diffrakciójának a hullámhossztól való függését használják fel. Egy elem rendszámának növekedése az elektronhéjak jellemzőinek megváltozásával jár, és minél nagyobb a röntgencső anódanyagának rendszáma, annál rövidebb a K-sorozatú hullámhossz. A legszélesebb körben használt csövek a 24-42 atomszámú elemekből (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) és 2,29-0,712 A (0,229-0,712 nm) hullámhosszúságú anódokkal ellátott csövek.

A röntgencső mellett a röntgensugárzás forrásai lehetnek radioaktív izotópok, egyesek közvetlenül bocsáthatnak ki röntgensugarakat, mások elektronokat és a-részecskéket bocsátanak ki, amelyek röntgensugarakat generálnak fémcélpontok bombázásakor. A radioaktív forrásokból származó röntgensugárzás intenzitása általában jóval kisebb, mint a röntgencsőé (kivéve a radioaktív kobaltot, amelyet a hibák észlelésére használnak, és nagyon rövid hullámhosszú sugárzást - g-sugárzást) állítanak elő, kis méretűek és nem igényelnek áramot. A szinkrotron röntgensugárzást elektrongyorsítókban állítják elő, ennek a sugárzásnak a hullámhossza lényegesen hosszabb, mint a röntgencsövekben (lágy röntgen), és intenzitása több nagyságrenddel nagyobb, mint a röntgensugárzás intenzitása; csövek. A röntgensugárzásnak természetes forrásai is vannak. Számos ásványban találtak radioaktív szennyeződéseket, és rögzítették az űrobjektumok, köztük a csillagok röntgensugárzását is.

A röntgensugárzás kölcsönhatása kristályokkal

A kristályos szerkezetű anyagok röntgenvizsgálata során a kristályrács atomjaihoz tartozó elektronok röntgensugárzásából eredő interferenciamintázatokat elemzik. Az atomokat mozdulatlannak tekintik, hőrezgéseiket nem veszik figyelembe, és ugyanannak az atomnak az összes elektronja egy ponton - a kristályrács egy csomópontján - koncentráltnak tekinthető.

A kristályok röntgendiffrakciójának alapegyenleteinek levezetéséhez a kristályrácsban egyenes vonal mentén elhelyezkedő atomok által szórt sugarak interferenciáját vesszük figyelembe. A monokromatikus röntgensugárzás síkhulláma esik ezekre az atomokra olyan szögben, amelynek koszinusza 0 . Az atomok által szórt sugarak interferenciájának törvényei hasonlóak a diffrakciós rács törvényeihez, amelyek a látható hullámhossz-tartományban szórják a fénysugárzást. Ahhoz, hogy az összes rezgés amplitúdója az atomsortól nagy távolságban összeadódjon, szükséges és elegendő, hogy az egyes szomszédos atompárokból érkező sugarak útjában lévő különbség egész számú hullámhosszt tartalmazzon. Amikor az atomok közötti távolság A ez az állapot így néz ki:

A(a – a 0) = h l,

ahol a az atomsor és az eltérített nyaláb közötti szög koszinusza, h – egész szám. A sugarak nem terjednek minden irányba, amely nem teljesíti ezt az egyenletet. Így a szórt sugarak koaxiális kúprendszert alkotnak, amelynek közös tengelye az atomsor. A kúpok nyomai az atomsorral párhuzamos síkon hiperbolák, a sorra merőleges síkon pedig körök.

Ha a sugarak állandó szögben esnek be, a polikromatikus (fehér) sugárzás fix szögben eltérített sugarak spektrumára bomlik. Így az atomsor a röntgensugárzás spektrográfja.

A kétdimenziós (lapos) atomrácsra, majd egy háromdimenziós térfogati (térbeli) kristályrácsra általánosítás két további hasonló egyenletet ad, amelyek a röntgensugárzás beesési és visszaverődési szögeit, valamint az atomok közötti távolságokat tartalmazzák. három irányt. Ezeket az egyenleteket Laue-egyenleteknek nevezik, és a röntgendiffrakciós elemzés alapját képezik.

A párhuzamos atomsíkokról visszaverődő sugarak amplitúdói összeadódnak stb. az atomok száma igen nagy, a visszavert sugárzás kísérletileg kimutatható. A reflexiós feltételt a Wulff–Bragg egyenlet2d sinq = nl írja le, ahol d a szomszédos atomsíkok távolsága, q a beeső sugár iránya és ezen síkok közötti szög a kristályban, l a kristály hullámhossza. röntgensugárzás, n egy egész szám, amelyet a visszaverődés sorrendjének neveznek. A q szög a beesési szög specifikusan olyan atomi síkokhoz képest, amelyek iránya nem feltétlenül esik egybe a vizsgált minta felületével.

Számos röntgendiffrakciós analízis módszert fejlesztettek ki, amelyek folytonos spektrumú sugárzást és monokromatikus sugárzást egyaránt alkalmaznak. A vizsgált objektum lehet álló vagy forgó, állhat egy kristályból (egykristály) vagy több (polikristályból), a diffrakciós sugárzás rögzíthető lapos vagy hengeres röntgenfilm vagy a kerület körül mozgó röntgendetektor segítségével, de a kísérlet és az eredmények értelmezése során minden esetben a Wulff–Bragg egyenletet alkalmazzuk.

Röntgenelemzés a tudomány és a technológia területén

A röntgendiffrakció felfedezésével a kutatók rendelkezésére állt egy olyan módszer, amely mikroszkóp nélkül lehetővé tette az egyes atomok elrendeződésének és ezen elrendeződésnek külső hatások hatására bekövetkező változásainak tanulmányozását.

A röntgensugarak fő alkalmazása az alaptudományban a szerkezeti elemzés, i.e. az egyes atomok térbeli elrendezésének megállapítása egy kristályban. Ehhez egykristályokat növesztenek, és röntgenanalízist végeznek, tanulmányozva a visszaverődések helyét és intenzitását egyaránt. Mára nemcsak a fémek, hanem az összetett szerves anyagok szerkezetét is meghatározták, amelyekben az egységcellák több ezer atomot tartalmaznak.

Az ásványtanban több ezer ásvány szerkezetét határozták meg röntgenanalízissel, és készítettek expressz módszereket az ásványi nyersanyagok elemzésére.

A fémek viszonylag egyszerű kristályszerkezettel rendelkeznek, és a röntgen módszer lehetővé teszi a különböző technológiai kezelések során bekövetkező változások tanulmányozását és az új technológiák fizikai alapjainak megteremtését.

Az ötvözetek fázisösszetételét a röntgendiffrakciós mintákon lévő vonalak elhelyezkedése, a kristályok számát, méretét és alakját a szélességük, a kristályok orientációját (textúráját) pedig az intenzitás határozza meg. eloszlás a diffrakciós kúpban.

Ezekkel a technikákkal vizsgálják a képlékeny alakváltozás során fellépő folyamatokat, beleértve a kristálytöredezést, a belső feszültségek előfordulását és a kristályszerkezet tökéletlenségeit (diszlokációit). A deformált anyagok melegítése során a feszültségmentességet és a kristálynövekedést (újrakristályosodást) vizsgálják.

Az ötvözetek röntgenanalízise meghatározza a szilárd oldatok összetételét és koncentrációját. Ha szilárd oldat jelenik meg, az atomok közötti távolságok és ennek következtében az atomsíkok közötti távolságok megváltoznak. Ezek a változások kicsik, ezért speciális precíziós módszereket dolgoztak ki a kristályrács periódusainak a mérési pontosságnál két nagyságrenddel nagyobb pontosságú mérésére a hagyományos röntgenkutatási módszerekkel. A kristályrács-periódusok precíziós mérésének és a fázisanalízis kombinációja lehetővé teszi a fázisdiagramban a fázistartományok határainak megszerkesztését. A röntgen módszerrel a szilárd oldatok és a kémiai vegyületek közötti közbenső állapotok is kimutathatók - rendezett szilárd oldatok, amelyekben a szennyező atomok nem véletlenszerűen helyezkednek el, mint a szilárd oldatokban, és ugyanakkor nem háromdimenziós sorrendben, mint a vegyi anyagokban. vegyületek. A rendezett szilárd oldatok röntgendiffrakciós mintái további vonalakat tartalmaznak, a röntgendiffrakciós minták értelmezése azt mutatja, hogy a szennyező atomok bizonyos pozíciókat foglalnak el a kristályrácsban, például a kocka csúcsaiban.

Amikor egy olyan ötvözetet leállítanak, amelyen nem megy át fázisátalakulás, túltelített szilárd oldat keletkezhet, és további melegítés vagy akár szobahőmérsékleten tartás hatására a szilárd oldat kémiai vegyület részecskéinek felszabadulásával bomlik le. Ez az öregedés hatása, és a röntgenfelvételeken a vonalak helyzetének és szélességének változásaként jelenik meg. Az öregedéskutatás különösen fontos a színesfémötvözetek esetében, például az öregedés során egy lágy, edzett alumíniumötvözet tartós szerkezeti anyaggá duralumíniummá alakul.

Az acél hőkezelésének röntgenvizsgálata a legnagyobb technológiai jelentőséggel bír. Az acél kioltásakor (gyors hűtése) diffúziómentes ausztenit-martenzit fázisátalakulás következik be, ami a szerkezet köbösről tetragonálisra, azaz tetragonálisra változik. az egységcella téglalap alakú prizma alakját veszi fel. A röntgenfelvételeken ez a vonalak kiszélesedéseként és egyes vonalak kettéosztásaként jelenik meg. Ennek oka nem csak a kristályszerkezet megváltozása, hanem a martenzites szerkezet termodinamikai egyensúlyhiánya és a hirtelen lehűlés következtében fellépő nagy belső feszültségek is. Edzéskor (az edzett acél melegítésekor) a röntgendiffrakciós minták vonalai szűkülnek, ez az egyensúlyi szerkezethez való visszatéréssel jár.

Az utóbbi években nagy jelentőséget kaptak a koncentrált energiaáramú anyagok (lézersugarak, lökéshullámok, neutronok, elektronimpulzusok) feldolgozásának röntgenvizsgálatai, amelyek új technikákat igényeltek és új röntgenhatásokat produkáltak. Például, amikor a lézersugarak fémekre hatnak, a felmelegedés és a lehűlés olyan gyorsan megy végbe, hogy a hűtés során a fémben lévő kristályoknak csak annyi idejük van, hogy több elemi sejt (nanokristályok) méretűre növekedjenek, vagy egyáltalán nincs idejük felbukkanni. Lehűlés után az ilyen fém úgy néz ki, mint a közönséges fém, de nem ad egyértelmű vonalakat a röntgendiffrakciós mintázatban, és a visszavert röntgensugarak a legeltetési szögek teljes tartományában eloszlanak.

A neutronbesugárzás után további foltok (diffúz maximumok) jelennek meg a röntgendiffrakciós mintákon. A radioaktív bomlás a szerkezeti változásokhoz kapcsolódó specifikus röntgenhatásokat is okoz, valamint azt, hogy a vizsgált minta maga válik röntgensugárzás forrásává.

Az atomi jelenségek vizsgálatában és gyakorlati felhasználásában a röntgensugárzás játssza az egyik legfontosabb szerepet. Kutatásuknak köszönhetően számos felfedezést tettek, és anyagok elemzésére szolgáló módszereket fejlesztettek ki, amelyeket számos területen alkalmaznak. Itt megvizsgáljuk a röntgensugárzás egyik típusát - a jellegzetes röntgensugarakat.

A röntgensugarak természete és tulajdonságai

A röntgensugárzás az elektromágneses tér állapotának nagyfrekvenciás változása, amely a térben körülbelül 300 000 km/s sebességgel terjed, azaz elektromágneses hullámok. Az elektromágneses sugárzás tartományának skáláján a röntgensugarak körülbelül 10 -8 és 5∙10 -12 méter közötti hullámhossz-tartományban helyezkednek el, ami több nagyságrenddel rövidebb az optikai hullámoknál. Ez 3∙10 16 és 6∙10 19 Hz közötti frekvenciáknak és 10 eV és 250 keV, illetve 1,6∙10 -18 és 4∙10 -14 J közötti energiáknak felel meg. Az elektromágneses sugárzás átfedésük miatt meglehetősen önkényes.

A felgyorsult töltött részecskék (nagy energiájú elektronok) kölcsönhatása elektromos és mágneses mezőkkel és anyagatomokkal.

A röntgenfotonokat nagy energiák, valamint nagy áthatoló és ionizáló teljesítmény jellemzi, különösen az 1 nanométernél (10-9 m) kisebb hullámhosszúságú kemény röntgensugarak esetében.

A röntgensugárzás kölcsönhatásba lép az anyaggal, atomjait ionizálva a fotoelektromos hatás (fotoabszorpció) és az inkoherens (Compton) szórás folyamataiban. A fotoabszorpció során egy atom elektronja által elnyelt röntgenfoton energiát ad át neki. Ha az értéke meghaladja az elektron kötési energiáját egy atomban, akkor elhagyja az atomot. A Compton-szórás a keményebb (energetikus) röntgenfotonokra jellemző. Az elnyelt foton energiájának egy részét ionizációra fordítják; ebben az esetben az elsődleges foton irányához képest bizonyos szögben egy szekunder foton bocsát ki, alacsonyabb frekvenciával.

A röntgensugárzás típusai. Bremsstrahlung

A gerendák előállításához üveg vákuumhengereket használnak, amelyekben elektródák találhatók. Az elektródák közötti potenciálkülönbségnek nagyon nagynak kell lennie – akár több száz kilovolt is lehet. A volfrám katódon áram hatására hőkibocsátás történik, azaz elektronok bocsátanak ki belőle, amelyek a potenciálkülönbséggel felgyorsítva bombázzák az anódot. Az anód (néha antikatód) atomjaival való kölcsönhatás eredményeképpen röntgenfotonok születnek.

Attól függően, hogy milyen folyamat vezet a foton létrehozásához, a röntgensugárzás típusait különböztetjük meg: bremsstrahlung és karakterisztikus.

Az elektronok az anóddal való találkozáskor lelassulhatnak, azaz energiát veszíthetnek atomjai elektromos mezőiben. Ezt az energiát röntgenfotonok formájában bocsátják ki. Ezt a fajta sugárzást bremsstrahlungnak nevezik.

Nyilvánvaló, hogy a fékezési feltételek az egyes elektronok esetében eltérőek lesznek. Ez azt jelenti, hogy különböző mennyiségű kinetikus energiát alakítanak át röntgensugarakká. Ennek eredményeként a bremsstrahlung különböző frekvenciájú és ennek megfelelően hullámhosszúságú fotonokat tartalmaz. Ezért a spektruma folytonos (folyamatos). Néha emiatt „fehér” röntgensugárzásnak is nevezik.

A bremsstrahlung foton energiája nem haladhatja meg az azt generáló elektron mozgási energiáját, így a bremsstrahlung sugárzás maximális frekvenciája (és legrövidebb hullámhossza) megfelel az anódra beeső elektronok mozgási energiájának legmagasabb értékének. Ez utóbbi az elektródákra alkalmazott potenciálkülönbségtől függ.

Létezik egy másik típusú röntgensugárzás, amelynek forrása más folyamat. Ezt a sugárzást karakterisztikus sugárzásnak nevezzük, és részletesebben kitérünk rá.

Hogyan keletkezik a jellegzetes röntgensugárzás?

Az antikatódhoz érve egy gyors elektron behatolhat az atom belsejébe, és kiütheti az elektront az egyik alsó pályáról, vagyis a potenciálgát leküzdéséhez elegendő energiát adhat át neki. Ha azonban az elektronok által elfoglalt atomban magasabb energiaszintek vannak, a megüresedett tér nem marad üresen.

Nem szabad megfeledkezni arról, hogy az atom elektronszerkezete, mint minden energiarendszer, hajlamos minimalizálni az energiát. A kiütés következtében kialakult üresedést valamelyik magasabb szintről érkező elektron tölti ki. Energiája nagyobb, és alacsonyabb szintet foglalva a felesleget jellegzetes röntgensugárzás kvantum formájában bocsátja ki.

Az atom elektronszerkezete az elektronok lehetséges energiaállapotainak diszkrét halmaza. Ezért az elektronüres helyek pótlása során kibocsátott röntgenfotonoknak is csak szigorúan meghatározott energiaértékei lehetnek, tükrözve a szintkülönbséget. Ennek eredményeként a jellegzetes röntgensugárzás spektruma nem folytonos, hanem vonal alakú. Ez a spektrum lehetővé teszi az anód anyagának jellemzését - innen ered ezeknek a sugaraknak a neve. A spektrális különbségeknek köszönhetően egyértelmű, hogy mit kell érteni a bremsstrahlung és a karakterisztikus röntgensugárzás alatt.

Néha a felesleges energiát nem az atom bocsátja ki, hanem a harmadik elektron kiütésére fordítja. Ez a folyamat - az úgynevezett Auger-effektus - nagyobb valószínűséggel megy végbe, ha az elektronkötési energia nem haladja meg az 1 keV-ot. A felszabaduló Auger-elektron energiája az atom energiaszintjeinek szerkezetétől függ, ezért az ilyen elektronok spektruma is diszkrét jellegű.

A karakterisztikus spektrum általános képe

Keskeny karakterisztikus vonalak jelennek meg a röntgenspektrum képen, valamint folyamatos bremsstrahlung spektrum. Ha a spektrumot az intenzitás és a hullámhossz (frekvencia) grafikonjaként képzeljük el, éles csúcsokat fogunk látni a vonalak helyein. Helyük az anód anyagától függ. Ezek a maximumok minden potenciálkülönbségnél jelen vannak – ha vannak röntgensugarak, mindig vannak csúcsok is. A csőelektródák feszültségének növekedésével mind a folyamatos, mind a karakterisztikus röntgensugárzás intenzitása növekszik, de a csúcsok elhelyezkedése és intenzitásuk aránya nem változik.

A röntgenspektrum csúcsai az elektronok által besugárzott antikatód anyagától függetlenül azonos megjelenésűek, de különböző anyagoknál eltérő frekvencián helyezkednek el, a frekvenciaértékek közelsége alapján sorba egyesülve. Maguk a sorozatok között sokkal jelentősebb a frekvenciák közötti különbség. A maximumok típusa semmilyen módon nem függ attól, hogy az anód anyaga tiszta kémiai elem vagy összetett anyag. Ez utóbbi esetben az alkotóelemeinek jellemző röntgenspektrumai egyszerűen egymásra helyeződnek.

Ahogy egy kémiai elem rendszáma növekszik, röntgenspektrumának minden vonala magasabb frekvenciák felé tolódik el. A spektrum megőrzi megjelenését.

Moseley törvénye

A karakterisztikus vonalak spektrális eltolódásának jelenségét Henry Moseley angol fizikus fedezte fel kísérletileg 1913-ban. Ez lehetővé tette számára, hogy a spektrummaximumok frekvenciáit összekapcsolja a kémiai elemek sorozatszámaival. Így a jellegzetes röntgensugárzás hullámhossza, mint kiderült, egyértelműen korrelálható egy adott elemmel. Általában a Moseley-törvény a következőképpen írható fel: √f = (Z - S n)/n√R, ahol f a frekvencia, Z az elem sorozatszáma, S n az árnyékolási állandó, n a szűrési állandó főkvantumszám és R a Rydberg konstans. Ez a függés lineáris, és a Moseley-diagramon úgy néz ki, mint egy sor egyenes vonal minden n értékéhez.

Az n értékek a jellegzetes röntgenemissziós csúcsok egyedi sorozatainak felelnek meg. A Moseley-törvény lehetővé teszi, hogy a röntgenspektrum maximumainak mért hullámhosszai (egyedülállóan kapcsolódnak a frekvenciákhoz) alapján meghatározzuk a kemény elektronokkal besugárzott kémiai elem sorozatszámát.

A kémiai elemek elektronikus héjának szerkezete azonos. Ezt jelzi a röntgensugárzás karakterisztikus spektrumának eltolásváltozásának monotonitása. A frekvenciaeltolás nem szerkezeti, hanem az egyes elemekre jellemző elektronhéjak közötti energiakülönbségeket tükrözi.

A Moseley-törvény szerepe az atomfizikában

A Moseley-törvény által kifejezett szigorú lineáris összefüggéstől némi eltérés mutatkozik. Egyrészt egyes elemek elektronhéjának kitöltési sorrendjének sajátosságaihoz kapcsolódnak, másrészt a nehéz atomok elektronjainak mozgásának relativisztikus hatásaihoz. Ezen túlmenően, ha az atommagban a neutronok száma megváltozik (az úgynevezett izotópos eltolódás), a vonalak helyzete kissé megváltozhat. Ez a hatás lehetővé tette az atomszerkezet részletes tanulmányozását.

A Moseley-törvény jelentősége rendkívül nagy. A Mengyelejev-féle periodikus rendszer elemeire való következetes alkalmazása létrehozta a karakterisztikus maximumok minden kis eltolódásának megfelelő sorszám növelésének mintáját. Ez segített tisztázni az elemek sorszámának fizikai jelentésére vonatkozó kérdést. A Z érték nem csak egy szám: az atommag pozitív elektromos töltése, amely az összetételét alkotó részecskék egységnyi pozitív töltéseinek összege. Az elemek helyes elhelyezése a táblázatban és az üres pozíciók jelenléte benne (akkor még léteztek) erőteljes megerősítést kapott. A periodikus törvény érvényessége bebizonyosodott.

Ezenkívül Moseley törvénye lett az alapja, amelyen a kísérleti kutatás egész iránya - a röntgen-spektrometria - jött létre.

Az atom elektronhéjainak szerkezete

Emlékezzünk vissza röviden, hogyan épül fel az elektronszerkezet. K, L, M, N, O, P, Q betűkkel vagy 1-től 7-ig terjedő számokkal jelölt héjakból áll. A héjon belüli elektronokat ugyanaz a főkvantum jellemzi. n szám, amely meghatározza a lehetséges energiaértékeket. A külső héjakban az elektronok energiája nagyobb, a külső elektronok ionizációs potenciálja ennek megfelelően kisebb.

A shell egy vagy több alszintet tartalmaz: s, p, d, f, g, h, i. Minden shellben az alszintek száma eggyel nő az előzőhöz képest. Az egyes alszinteken és az egyes héjakban lévő elektronok száma nem haladhat meg egy bizonyos értéket. Jellemzőjük a fő kvantumszám mellett az alakot meghatározó orbitális elektronfelhő azonos értéke. Az alszinteket az a shell jelöli ki, amelyhez tartoznak, például 2s, 4d stb.

Az alszint tartalmazza azokat, amelyeket a fő- és pályaszinten kívül egy másik kvantumszám - mágneses - határoz meg, amely meghatározza az elektron keringési impulzusának vetületét a mágneses tér irányára. Egy pályán legfeljebb két elektron lehet, amelyek a negyedik kvantumszám - spin - értékében különböznek.

Nézzük meg részletesebben, hogyan keletkezik a jellegzetes röntgensugárzás. Mivel az ilyen típusú elektromágneses emisszió eredete az atomon belül fellépő jelenségekhez kapcsolódik, a legkényelmesebb az elektronikus konfigurációk közelítésében pontosan leírni.

Jellegzetes röntgensugárzás létrehozásának mechanizmusa

Tehát ennek a sugárzásnak az oka az elektronüres helyek kialakulása a belső héjakban, amelyet a nagy energiájú elektronok mélyen az atomba való behatolása okoz. Annak a valószínűsége, hogy egy kemény elektron kölcsönhatásba lép, növekszik az elektronfelhők sűrűségével. Ezért az ütközések a legvalószínűbbek a szorosan tömött belső héjakban, például a legalacsonyabb K-héjon belül. Itt az atom ionizálódik, és az 1-es héjban üresedés képződik.

Ezt az üresedést a héjból egy nagyobb energiájú elektron tölti ki, melynek feleslegét a röntgenfoton elviszi. Ez az elektron „leeshet” a második L héjról, a harmadik M héjról stb. Így jön létre egy karakterisztikus sorozat, ebben a példában a K-sorozat. Az üresedést betöltő elektron honnan származik, a sorozat jelölésében görög index formájában adjuk meg. Az "alfa" azt jelenti, hogy az L héjból származik, a "béta" azt jelenti, hogy az M héjból származik. Jelenleg az a tendencia, hogy a görög betűindexeket felváltják a héjak jelölésére alkalmazott latin betűkkel.

Az alfa vonal intenzitása a sorozatban mindig a legmagasabb - ez azt jelenti, hogy a legnagyobb a valószínűsége annak, hogy egy szomszédos héjból betöltenek egy üresedést.

Most megválaszolhatjuk azt a kérdést, hogy mekkora a karakterisztikus röntgensugárzás kvantumának maximális energiája. Az elektronátmeneti szintek energiaértékeinek különbsége határozza meg az E = E n 2 - E n 1 képlet szerint, ahol E n 2 és E n 1 az elektron energiái. állapotok, amelyek között az átmenet megtörtént. Ennek a paraméternek a legmagasabb értékét a K-sorozatú átmenetek adják a nehéz elemek legmagasabb atomszintjéből. De ezeknek a vonalaknak az intenzitása (a csúcsok magassága) a legalacsonyabb, mivel ezek a legkevésbé valószínűek.

Ha az elektródákon lévő elégtelen feszültség miatt egy kemény elektron nem tudja elérni a K-szintet, akkor az L-szinten üresedést képez, és egy kisebb energiájú, hosszabb hullámhosszú L-sorozat keletkezik. A következő sorozatok is hasonló módon születnek.

Ezen túlmenően, ha egy üresedés elektronikus átállás eredményeként megüresedik, egy új üresedés jelenik meg a fedőhéjban. Ez megteremti a feltételeket a következő sorozat generálásához. Az elektronüres helyek szintről szintre feljebb mozognak, és az atom jellegzetes spektrális sorozatok kaszkádját bocsátja ki, miközben ionizált marad.

A karakterisztikus spektrumok finom szerkezete

A jellegzetes röntgensugárzás atomi röntgenspektrumait finom szerkezet jellemzi, amely az optikai spektrumokhoz hasonlóan vonalhasadásban fejeződik ki.

A finom szerkezet annak köszönhető, hogy az energiaszint - az elektronhéj - szorosan elhelyezkedő komponensek - alhéjak - halmaza. Az alhéjak jellemzésére egy másik j belső kvantumszámot vezetünk be, amely az elektron saját és pályamágneses momentumainak kölcsönhatását tükrözi.

A spin-pálya kölcsönhatás hatására az atom energiaszerkezete bonyolultabbá válik, és ennek következtében a jellegzetes röntgensugárzás spektruma, amelyet nagyon szorosan elhelyezkedő elemekkel rendelkező osztott vonalak jellemeznek.

A finom szerkezetű elemeket általában további digitális indexekkel jelölik.

A jellegzetes röntgensugárzásnak csak a spektrum finom szerkezete tükröződik. Az elektron átmenete egy alacsonyabb energiaszintre nem a magasabb szint alsó részhéjáról történik. Egy ilyen eseménynek elhanyagolható a valószínűsége.

Röntgensugarak alkalmazása a spektrometriában

Ez a sugárzás a Moseley-törvényben leírt jellemzői miatt különféle röntgen-spektrális módszerek alapját képezi anyagok elemzésére. A röntgenspektrum elemzésekor vagy a sugárzás kristályokon történő diffrakcióját (hullámdiszperziós módszer), vagy az elnyelt röntgenfotonok energiájára érzékeny detektorokat (energia-diszperzív módszer) használnak. A legtöbb elektronmikroszkóp fel van szerelve valamilyen röntgen-spektrometriás csatlakozóval.

A hullámdiszperzív spektrometria különösen pontos. Speciális szűrők segítségével kiemelik a spektrum legintenzívebb csúcsait, így pontosan ismert frekvenciájú, szinte monokromatikus sugárzás érhető el. Az anód anyagát nagyon körültekintően választják meg, hogy biztosítsák a kívánt frekvenciájú monokromatikus nyalábot. Diffrakciója a vizsgált anyag kristályrácsán lehetővé teszi a rácsszerkezet nagy pontosságú tanulmányozását. Ezt a módszert DNS és más összetett molekulák vizsgálatára is használják.

A karakterisztikus röntgensugárzás egyik jellemzőjét a gamma-spektrometria is figyelembe veszi. Ez egy nagy intenzitású jellemző csúcs. A gamma-spektrométerek ólomárnyékolást használnak a méréseket zavaró külső háttérsugárzás ellen. De a gamma-sugarakat elnyelő ólom belső ionizációt tapasztal, aminek eredményeként aktívan bocsát ki a röntgensugárzás tartományában. Az ólom jellegzetes röntgensugárzásának intenzív csúcsainak elnyelésére további kadmium árnyékolást alkalmaznak. Ez viszont ionizált, és röntgensugarakat is bocsát ki. A kadmium jellegzetes csúcsainak semlegesítésére egy harmadik árnyékoló réteget használnak - rezet, amelynek röntgen maximumai a gamma-spektrométer működési frekvenciatartományán kívül esnek.

A spektrometria bremsstrahlung és karakterisztikus röntgensugarakat egyaránt használ. Így az anyagok elemzésekor a folytonos röntgensugárzás különböző anyagok általi abszorpciós spektrumait vizsgálják.

A röntgensugárzás rövid jellemzői

A röntgensugárzás elektromágneses hullámok (kvantumok, fotonok áramlása), amelyek energiája az ultraibolya sugárzás és a gamma sugárzás közötti energiaskálán helyezkedik el (2-1. ábra). A röntgenfotonok energiája 100 eV és 250 keV között van, ami 3×10 16 Hz és 6×10 19 Hz közötti frekvenciájú és 0,005-10 nm hullámhosszú sugárzásnak felel meg. A röntgen- és a gamma-sugárzás elektromágneses spektruma nagymértékben átfedi egymást.

Rizs. 2-1. Elektromágneses sugárzás skála

A fő különbség e két sugárzástípus között a keletkezésük módja. A röntgensugarak elektronok részvételével keletkeznek (például áramlásuk lelassulásával), gamma-sugarak pedig egyes elemek atommagjainak radioaktív bomlása során.

Röntgensugarak akkor keletkezhetnek, amikor a töltött részecskék felgyorsult áramlása lelassul (ún. bremsstrahlung), vagy amikor nagy energiájú átmenetek lépnek fel az atomok elektronhéjában (karaktersugárzás). Az orvosi eszközök röntgencsöveket használnak a röntgensugárzás létrehozására (2-2. ábra). Fő alkotóelemeik egy katód és egy masszív anód. Az anód és a katód elektromos potenciálkülönbsége miatt kibocsátott elektronok felgyorsulnak, elérik az anódot, és lelassulnak, amikor az anyaggal ütköznek. Ennek eredményeként röntgensugaras bremsstrahlung lép fel. Az elektronoknak az anóddal való ütközésekor egy második folyamat is megtörténik - az elektronok kiütődnek az anód atomjainak elektronhéjából. Helyüket az atom többi héjából származó elektronok foglalják el. A folyamat során egy második típusú röntgensugárzás keletkezik - az úgynevezett karakterisztikus röntgensugárzás, amelynek spektruma nagymértékben függ az anód anyagától. Az anódok leggyakrabban molibdénből vagy volfrámból készülnek. Speciális eszközök állnak rendelkezésre a röntgensugarak fókuszálására és szűrésére a kapott képek javítása érdekében.

Rizs. 2-2. A röntgencső készülék diagramja:

A röntgensugarak azon tulajdonságai, amelyek előre meghatározzák az orvostudományban való felhasználásukat, az áthatoló képesség, a fluoreszcens és a fotokémiai hatások. A röntgensugárzás behatolási képessége, az emberi test szöveteibe és a mesterséges anyagokba való abszorpciója a legfontosabb tulajdonságok, amelyek meghatározzák a sugárdiagnosztikában való felhasználásukat. Minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb a röntgensugárzás áthatoló ereje.

Léteznek alacsony energiájú és sugárzási frekvenciájú (a leghosszabb hullámhossznak megfelelő) „puha” röntgensugarak, valamint nagy fotonenergiával és sugárzási frekvenciájú, rövid hullámhosszúságú „kemény” röntgensugarak. A röntgensugárzás hullámhossza (illetve „keménysége” és áthatolóereje) a röntgencsőre adott feszültségtől függ. Minél nagyobb a feszültség a csövön, annál nagyobb az elektronáramlás sebessége és energiája, és annál rövidebb a röntgensugárzás hullámhossza.

Amikor az anyagon áthatoló röntgensugárzás kölcsönhatásba lép, abban minőségi és mennyiségi változások következnek be. A röntgensugárzás szövetek általi abszorpciójának mértéke változó, és az objektumot alkotó elemek sűrűsége és atomtömege határozza meg. Minél nagyobb a vizsgált tárgyat (szervet) alkotó anyag sűrűsége és atomtömege, annál több röntgensugárzás nyelődik el. Az emberi szervezetben különböző sűrűségű szövetek és szervek találhatók (tüdő, csontok, lágyszövetek stb.), ez magyarázza a röntgensugárzás eltérő abszorpcióját. A belső szervek és struktúrák vizualizálása a röntgensugárzás különböző szervek és szövetek általi abszorpciójában mutatkozó mesterséges vagy természetes különbségeken alapul.

A testen áthaladó sugárzás regisztrálásához felhasználják annak képességét, hogy bizonyos vegyületek fluoreszcenciáját idézi elő, és fotokémiai hatást gyakorol a filmre. Erre a célra speciális képernyőket használnak fluoroszkópiához és fényképészeti filmeket a radiográfiához. A modern röntgenkészülékekben a csillapított sugárzás rögzítésére speciális digitális elektronikus detektorrendszereket - digitális elektronikus paneleket - alkalmaznak. Ebben az esetben a röntgen módszereket digitálisnak nevezik.

A röntgensugarak biológiai hatásai miatt kiemelten fontos a betegek védelme a vizsgálat során. Ez megvalósul

a lehető legrövidebb expozíciós idő, a fluoroszkópia radiográfiával való helyettesítése, az ionizáló módszerek szigorúan indokolt alkalmazása, a beteg és a személyzet sugárzás elleni védelme.

A röntgensugárzás rövid leírása - fogalma és típusai. A "Röntgensugárzás rövid jellemzői" kategória osztályozása és jellemzői 2017, 2018.