2.0. Рентгеновское излучение

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны в пределах длин

от 10^-7 до 10^-14 м.

Свойства рентгеновских лучей:

Способность вызывать свечение некоторых веществ (люминофоров).

Значительная проникающая способность (проходят через стекло, бумагу, дерево, эбонит, вещества малой атомной массы; задерживаются свинцом).

Оказывают ионизирующее действие.

Засвечивают фотохимические материалы.

Не отклоняются в магнитном поле, не заряжены.

Одним из источников рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.

Рентгеновская трубка – это вакуумный прибор с двумя электродами: катодом (–) и анодом (+).

Давление в трубке 10^-5–10^-6 мм рт.ст. (рис. 43).

Рис. 43

Если кВ – диагностическое рентгеновское излучение;

если кВ – терапевтическое (для удаления опухолей).

При подогреве катода излучаются электроны. Попадая в электрическое поле между катодом и анодом электроны разгоняются до больших скоростей и тормозятся веществом анода.

С движением электрического заряда связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и, согласно теории

Максвелла, появляется электромагнитная волна (рентгеновское излучение).

,

где А – работа по перемещению электрона в рентгеновской трубке;

q – заряд электрона; U – ускоряющее напряжение;

– скорость электрона перед анодом; m – масса электрона;

– скорость электрона после взаимодействия с анодом, ( );

h – постоянная Планка; – частота рентгеновского излучения;

Q – количество теплоты, выделяющееся в веществе анода.

Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение

При торможении быстрых заряженных частиц атомами вещества анода возникает электромагнитное излучение, которое называют тормозным рентгеновским излучением.

При торможении большого количества электронов образуется сплошной (непрерывный) спектр рентгеновского излучения.

Ф

Рис. 44. Спектр тормозного рентгеновского излучения

Короткое излучение возникает, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

; м, с =3^.10⁸ м/с.

Поток рентгеновского излучения (Ф):

Z – порядковый номер атома вещества анода;

k = – коэффициент пропорциональности;

I – сила тока в рентгеновской трубке;

U – напряжение в рентгеновской трубке.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, на фоне сплошного спектра появляется линейчатый спектр, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 45).

Характеристическое рентгеновское излучение возникает из-за того, что некоторые ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, испуская рентгеновские кванты электромагнитного излучения:

Ф_λ

Рис. 45.

С увеличением заряда атома анода увеличивается частота излучаемого характеристического излучения. Такую закономерность называют законом Мозли:

,

где – частота спектральной линии характеристического рентгеновского излучения;

Z – атомный номер испускающего элемента; А и В – постоянные.

Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Взаимодействия рентгеновского излучения с веществом определяются соотношением между энергией кванта рентгеновского излучения и работой ионизации атома (А_и).

А_и – это работа, необходимая для отрыва от атома электрона и превращения его в электрически заряженный ион.

Если , то возникает упругое рассеяние, частота и длина волны не изменяются (при столкновении с атомом рентгеновское излучение меняет только направление).

Если , , то энергия падающего кванта расходуется на ионизацию атома и на кинетическую энергию электрона (вследствие ионизации атома меняется структура молекул).

Если , , то вещество ионизируется и появляется вторичное рентгеновское излучение ( > , < ).

В

результате взаимодействия рентгеновского излучение с веществом интенсивность рентгеновский лучей уменьшаетсяя по закону Бугера-Ламберта:

,

где – интенсивность падающего на

вещество рентгеновского излучения;

– интенсивность рентгеновского

Рис. 46 излучения, прошедшего через вещество;

– толщина вещества;

– линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения веществом.

, .

~ ,

где – плотность биотканей;

– длина волны рентгеновского излучения;

Z – порядковый номер атома вещества.

Z_Ca=20, Z_P = 15, Z_O = 8, Z_H = 1.

Кости значительнее поглощают рентгеновские лучи, чем мягкие ткани, поэтому на рентгеновском снимке более светлые.

Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Например, сульфат бария для желудка и кишечника.

Методы рентгеновской диагностики

1. Рентгенография – получение изображения внутренних органов на фотопленке.

фотопленка

2. Флюорография – это рентгенография на малоформатных пленках

Метод рентгеноструктурного анализа включает исследования характеристических спектров, на основе которых проводят качественный и количественный анализ структуры веществ. Этим методом Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК и были удостоены Нобелевской премией.

Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей, используют для исследования лекарственных и биологически активных веществ. Перспективы использования этого метода в фармации связаны с идентификацией кристаллических лекарственных веществ, их полиморфных модификаций, с поиском новых комплексных координационных соединений для создания новых медицинских препаратов и биостимуляторов, с исследованием элементного и фазового состава неорганических и органических лекарственных веществ.