Лекція 8 Тема: Рентгенівське випромінювання. Методи рентгенівської діагностики в терапії. Історія відкриття рентгенівських променів, праці і. Пулюя

У кінці 1895 р. Вільгельм Конрад Рентген повідомив про відкриття ним нових променів, які були названі Х-променями. Ці промені були виявлені під час пропускання електричного струму через розріджений газ в розрядній трубці. Вони випроміню­валися речовиною, яка бомбардувалася потоком швидких елек­тронів.

За 14 років до перших досліджень Рентгена ці Х-промені відкрив український фізик Іван Пулюй (1845-1919 рр.), уродженець містечка Гримайлова Тернопільської області. Пулюй після гімназії вступає на теологічний факультет Віденського університету. Паралельно відвідує лекції з математики, фізики, астрономії, які читались на філософському факультеті. І так ними захопився, що після закінчення курсу теології відмовляється від сану священика і займається фізико-математичними науками. Він у 1884 р. став професором Вищої технічної школи в Празі, в 1899-1900 рр. - її ректором, у 1902 р. - першим деканом першого в Європі електротехнічного факультету Вищої технічної школи. Дійсний член Наукового товариства імені Т.Г. Шевченка у Львові. І. Пулюй одержав міжнародне визнання за розробку електроосвітлювальних ламп та катодних трубок, першим досліджував лампи "холодного світла". Він виготовив так звані "катодні лампи", які спонукали його до відкриття Х-променів. І. Пулюй відкрив іонізуючу здатність Х-променів, першим дав пояснення їх природи і механізму утворення. Але Пулюй не приділив належної уваги своєму винаходу, займаючись іншими дослідженнями.

Його винахід дав можливість Рентгену в 1895 р. знову відкрити ті промені та отримати за це в 1901 р. першу Нобелівсь­ку премію з фізики. І внаслідок цих випадкових обставин, нажаль, ми нині кажемо: рентгенівські промені , а не промені Пулюя".

Рентгенівські промені дуже сильно діяли на фотопластинку - засвічували її, іонізували газ. Ці промені також частково проходили через непрозорі для видимого світла тіла, поглинаючись тим менше, чим менша товщина цих тіл і атомні номери елементів, що входять до їх складу; викликали флуоресцентне свічення люмінофорів. Ці властивості Х-променів використо­вують для їх виявлення.

Природа рентгенівських променів і методи їх отримання

Вчені з різних країн, починаючи з 1896 р., стали швидко поширювати відомості про нові промені і їх чудові властивості. Так, визначний російський фізик П.М. Лебедєв, відомий своїм відкриттям тиску світла, вже 19 січня 1896 р. зробив знімок своєї руки і демонстрував його на лекціях під назвою "Про відкриття Рентгеном Х-променів", які відбулися в Санкт-Петербурзькому університеті 29 січня і 8 лютого 1896 р.

Тоді ще вчені, навіть такі досвідчені, як П.М. Лебедєв, нічого не знали про біологічну дію радіації. Тому не можна без жаху і одночасно з великою повагою до цього лицаря науки читати такі слова із щоденника П. М. Лебедева: "20 лютого. Готуючись до "рентгенівської " лекції, я для зйомки грудної клітки позував 30 січня в клініці Льовшина 20 хвилин, не захищаючи обличчя, а 8 лютого - 60 хвилин, захищаючи обличчя цинковим листком, за виключенням підборіддя. В ніч з вчора на сьогодні у мене вилізла вся борода. З жахом чекаю, що буде далі. Виявляється, що брови також помітно випадають". На жаль, великий вчений-фізик П. М. Лебедєв, ім'ям якого названий Інститут фізики Російської Академії наук в Москві, прожив лише 48 років.

Наступні дослідження показали, що рентгенівські промені - це короткі електромагнітні хвилі з довжиною хвилі в інтервалі

∆λ = 8х10^-8 ч 10^-14 м. В шкалі електромагнітних хвиль вони розміщені між ультрафіолетовими і гамма-променями.

Хвильова електромагнітна природа рентгенівських променів була повністю доведена дослідами по дифракції рентгенівських променів на кристалічній решітці, які провів в 1912 р. німецький фізик Лауе. Крім того, з цими променями були здійснені інтерференційні (російський фізик Лінник, 1930 р.) та дифракційні досліди, аналогічні дослідам із дзеркалами Френеля і дифракції на щілині.

Одержання рентгенівського випромінювання. Будова рентгенівської трубки.

Рентгенівські промені одержують в рентгенівських трубках - скляних балонах, з яких викачане повітря до тиску р = 10^-6 - 10^-7 мм рт. ст. В балон впаяні два електроди: катод К анод А (рис. 9.1).

А нод (антикатод) - металевий стержень, на скошеному кінці якого закріплена пластинка З із тугоплавкого металу, яка нази­вається дзеркальцем антикатода. Ділянка дзеркальця 3, на яку падає основна частина електронів (для концентрації електронів катод має спеціальний фокусуючий циліндр), називається фокусом трубки. Від його площі залежить ширина пучка випромінювання.

Катод становить спіраль із вольфрамового дроту, який нагрівається електричним струмом від джерела розжарювання U_р і випромінює електрони (термоелектронна емісія). Електрони, які випускає нагрітий катод, прискорюються електричним полем між катодом і антикатодом А і бомбардують антикатод. Прискорююча електрони різниця потенціалів U_а дорівнює кільком десяткам тисяч (і навіть більше) вольт. Швидкі електрони влітають в антикатод, гальмуються в ньому і в результаті гальмування їх кінетична енергія перетворюється в енергію рентгенівського випромінювання.

Взаємодія швидких електронів з атомами речовини, на яку вони падають, зводиться до таких процесів:

1. Прискорені електрони вибивають зовнішні електрони з атомів речовини антикатода, тобто іонізують їх. Втрату енергії швидких електронів на іонізацію атомів називають іонізаційними втратами. Вони становлять до 96% енергії швидких електронів. Ця енергія перетворюється в теплоту, за рахунок якої нагрівається тіло антикатода. Щоб антикатод не розплавився, його виготовляють із матеріалу з досить високою теплопровідністю (звичайно, із міді), в процесі роботи його охолоджують проточною водою (стаціонарні установки) або маслом (пересувні рентгенівські установки). З цією метою в тілі антикатода роблять канали, по яких циркулює охолоджуюча рідина.

2. Швидкі електрони втрачають енергію в результаті гальмування під час руху у речовині. Згідно з класичною електроди­намікою, будь-який заряд, що рухається із прискоренням, випромінює електромагнітну енергію. При різкому гальмуванні швидких електронів їх кінетична енергія переходить частково в енергію так званого гальмівного рентгенівського випромінювання.

3. Швидкі електрони можуть виривати електрони із внутрішніх (К, L, М) оболонок атомів речовини антикатода. На звільнене місце переходить електрон з вищої (зовнішньої) оболонки, внаслідок чого створюється характеристичне випромінювання.

Таким чином, рентгенівські промені, які випускає антикатод, дають два спектри: 1) суцільний (або гальмівний), що залежить від напруги на трубці і/а і має різку межу з боку коротких довжин хвиль; 2) характеристичний (лінійчатий), що залежить від мате­ріалу антикатода.