6.2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществами

Проходя через тело, фотоны рентгеновского излучения взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества. Достаточно жесткое излучение может взаимодействовать с ядрами атома вещества. При этом могут происходить следующие первичные процессы:

1. когерентное рассеяние, сущность которого заключается в том, что при взаимодействии с электроном атома у падающего фотона изменяется только направление движения, но энергия и длина волны остаются прежними;

2. явление внутреннего фотоэффекта. По уравнению Эйнштейна

. (6.4)

Если энергии у фотона недостаточно для отрыва электрона, то может происходить возбуждение атома или молекулы. Это может привести к последующему излучению фотонов в область видимого излучения, а в тканях организма – к активации молекул и фотохимическим реакциям;

3. комптон-эффект, который возникает при взаимодействии фотонов любых энергий со слабо связанными с ядрами электронами внешних оболочек атома. Это некогерентное рассеяние.

При взаимодействии «hν» с электроном последний отрывается от атома (электрон отдачи). При этом энергия фотона уменьшается hν¹<hν, то есть длина волны уменьшается и изменяется направление. Полученное таким путем излучение называется вторичным.

При комптон-эффекте электроны отдачи могут ионизировать соседние атомы путем соударения. Таким образом, получается вторичное рассеянное излучение, электроны которого вновь могут вызвать внутренний фотоэффект и комптон-эффект.

Поглощение РЛ подчиняется закону Бугера

I=I₀с^-md, (6.5)

где m – линейный коэффициент ослабления, который зависит от природы вещества (плотности и атомного номера) и длины волны;

m= τ + σ, (6.6)

где τ - коэффициент поглощения; σ - коэффициент рассеяния.

В медицине используются РЛ с энергией фотонов от 60 до 100 кэВ. Они взаимодействуют с веществом, состоящим из элементов с Z=8 (мягкие ткани) и Z=15…20 (минеральные вещества, коэффициент поглощения которых равен

τ=kρλ³Z⁴ (6.7)

где k – коэффициент пропорциональности).

При λ=const τ~ρZ⁴. Таким образом, кость поглощает излучение значительно сильнее, чем мягкие ткани тела человека. Еще сильнее поглощают излучение тяжелые металлы.

Для одного и того же вещества (Z=const) τ~λ³, то есть излучение поглощается тем сильнее, чем оно мягче (меньше длина волны). Этот факт используется для устройства фильтров, с помощью которых из данного излучения выделяются компоненты с необходимой жесткостью (более мягкие лучи при этом поглощаются фильтром). Фильтр состоит из металлической пластины (алюминия, свинца или меди), которая располагается перпендикулярно направлению РЛ.

Если РЛ проходят через неоднородное тело, то на флюоресцирующем экране образуется тень тела.

Тело человека состоит из тканей и органов, которые имеют различную поглощательную способность по отношению к рентгеновскому излучению. Поэтому при просвечивании его рентгеновскими лучами получаем неоднородное теневое изображение, которое дает картину формы и расположения тканей и внутренних органов.

Распознавание заболеваний при помощи просвечивания тела РЛ называется рентгенодиагностикой, в которой используют два основных метода:

1. рентгеноскопию (просвечивание);

2. рентгенографию (снимок).