Глава 2. Рентгеновское излучение

1895 год был знаменательным годом в истории человеческой цивилизации. В этом году французский учёный Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, французы – братья Люмьеры создали кинематограф, русский учёный-изобретатель Александр Степанович Попов послал первую в мире радиограмму и в этом же году немецкий физик Вильхэльм Конрад Рёнтген подарил физике, химии, биологии и, прежде всего, медицине и фармации рентгеновское излучение.

2.1 ПРОСТЕЙШАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Рёнтген сделал своё великое открытие, обратив внимание на ремарку в статье другого немецкого учёного Филиппа Ленарда. Ленард прославился исследованием катодных лучей – потока электронов. Быстрые электроны, ударяясь об экран, покрытый некоторыми веществами, вызывают его свечение – флюоресценцию. Ленардом была также замечена флюоресценция экрана находящегося не на пути катодных лучей, а сбоку. Он отметил это, но не придал значения. Что не помешало потом Ленарду оспаривать у Рёнтгена открытие Х-лучей ( так назвал открытое и изученное им излучение исключительно порядочный и скромный Вильхэльм Конрад Рёнтген). Кстати, Рёнтген потом всю жизнь протестовал против названия «рентгеновское излучение», «рентгеновский аппарат», «рентгеновская трубка» и, если они встречались ему в учебниках и справочниках с раздражением их вычёркивал. Рёнтген отказался принять вознаграждение за своё великое открытие, отказался и от дворянского звания. Он сразу понял огромное значение его открытия, прежде всего, для медицины и считал, что он этим уже вполне вознаграждён.

На рисунке 2.1 представлена схема простейшей рентгеновской трубки

Рис.2.1

На катод рентгеновской трубки подаётся небольшое напряжение накала U_н = 6-10В. Из спирали катода К, разогреваемого электрическим током вылетают электроны. Явление испускания электронов поверхностью нагретого металла называется термоэлектронной эмиссией. Под действием сильного электрического поля, созданного большим напряжение между анодом и катодом U_АК = 10-100кВ, электроны устремляются к аноду А, набирая при этом большую скорость. Естественно, в рентгеновской трубке создаётся вакуум – 10^-6 – 10^-7 мм. рт. ст., чтобы атомы воздуха не мешали полёту электронов. Ударяясь об зеркальце анода З, электроны вызывают коротковолновое электромагнитное излучение – рентгеновское излучение. Зеркальце анода изготавливается из тугоплавких металлов , например, вольфрама, платины. Поверхность анода делается скошенной, чтобы направить рентгеновское излучение перпендикулярно оси трубки.

2.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

1. Невидимы (в конце позапрошлого века это свойство казалось удивительным, но другие свойства рентгеновских лучей оказались ещё удивительнее).

2. Высокая проникающая способность (они насквозь «просвечивают» человеческое тело).

3. Разное ослабление в разных средах (например, в мягких тканях рентгеновские лучи ослабляются слабее, чем в костных, что в своё время позволило Рёнтгену сделать первый в мире рентгеновский снимок внутреннего строения кисти своей руки и руки своей жены).

4. Вызывают флюоресценцию некоторых веществ – их свечение под действием рентгеновского излучения.

5. Оказывают фотохимическое действие – почернение фотоплёнок.

6. Оказывают ионизирующее действие.

7. Отличаются сильным биологическим действием.

2.3. ПРИМЕНЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ И ФАРМАЦИИ

1. Рентгенодиагностика:

А. Рентгеноскопия. (Использует 1), 2) и 3) свойства рентгеновского излучения). Получение теневых изображений внутренних органов на флюоресцирующем экране рентгеновского аппарата.

Б. Рентгенография ((Использует 1), 2) и 4) свойства). Получение теневых изображений внутренних органов на фотоплёнке.

В. Флюорография. То же, что и рентгеноскопия, но вместо глаза врача информация с экрана поступает в фотоаппарат. А врач потом уже изучает фотоснимок изображения на экране рентгеновского аппарата. Это позволяет резко уменьшить время облучения и пациента и врача. В отличие от рентгенографии при этом можно обойтись совсем маленьким кусочком плёнки. Рентгеновские лучи не фокусируются, для рентгенографии требуется плёнка размером с объект исследования. Использование флюорографии позволило в своё время организовать массовое профилактическое обследование населения и прекратить распространение туберкулёза в Советском Союзе.

Г. Рентгеновская компьютерная томография. В современных рентгеновских аппаратах в качестве датчика рентгеновского излучения используются фотоэлементы ФЭ (5 свойство рентгеновских лучей). И в рентгеновских томографах ФЭ располагаются по окружности вокруг исследуемого органа ( рис.2.2). Томография (от греческого слова «томос» - ломоть, срез) позволяет получить изображения внутреннего строения исследуемого объекта в разрезе. Для этого узкий, плоский пучок рентгеновского излучения просвечивает объект с разных сторон от делающей вокруг него полный оборот рентгеновской трубки Т. При этом на фотоэлементах получаются теневые изображения внутренней структуры объекта в разных проекциях. Эта информация, преобразованная при помощи фотоэлементов в электрические сигналы, поступает в компьютер. Компьютер, обработав её, строит на дисплее изображения в разрезе. По одной проекции это было бы сделать невозможно, поскольку тени одних деталей внутренней структуры накладывались бы на другие. Чтобы «рассмотреть» все детали внутреннего строения объекта, надо просветить объект с разных сторон. Если получить изображения ряда, расположенных один над другим разрезов, можно получить представление об объёмной структуре объекта.

Рис.2.2.Рентгеновская компьютерная томография (объясненния тексте).

2. Рентгенотерапия.

Применяется в онкологии. Используется 6 свойство рентгеновского излучения - сильное биологическое действие. Рентгеновские лучи особенно большое действие оказывают на молодые, растущие ткани, в том числе, на новообразования.

Но, с другой стороны, именно поэтому следует воздерживаться от рентгеновских обследований детей и беременных женщин. Если возможно, следует ограничиться УЗИ – безвредным соперником рентгена.

3. Научные исследования.

А. Рентгеновская спектроскопия (см. 2.6)

Б. Рентгеноструктурный анализ (см. 2.7)

2.4. ПРИРОДА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Рёнтген недаром назвал открытое им излучение Х-лучами. Его природа была установлена только через 17 лет немецким физиком Максом Лауэ (в 1912 году). Макс Лауэ обнаружил дифракцию рентгеновских лучей на атомах кристаллов, что доказало их волновую природу и, вместе с тем указало на их очень малую длину волны, сравнимую с межатомными расстояниями. Рентгеновские лучи – электромагнитные волны в диапазоне длин волн примерно от 10^-5 – 80 нм. Снизу диапазон рентгеновских лучей частично перекрывается с диапазоном - излучения, а сверху – ультрафиолетового излучения.

С другой стороны, рентгеновское излучение - поток фотонов очень большой энергии, так как согласно формуле Планка

= h=, где - частота,- длина волны, h = 6,62.10^-34 Джс – постоянная Планка,

с = 310^-8 м/с - скорость света в вакууме.

Короткие волны и большая частота и обусловили высокую энергию рентгновских фотонов и замечательные свойства рентгеновского излучения.

2.5. ТОРМОЗНОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

1. Коротковолновая граница спектра тормозного рентгеновского излучения

Существует два типа рентгеновского изучения - тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение возникает при резком торможении электронов, разогнанных до больших скоростей. В рентгеновской трубке ( рис. 2.1 ) электроны разгоняются напряжением между анодом и катодом U_АК . Работа электрического поля по разгону электрона А = еU_АК , е = 1,610^-19 Кл – заряд электрона. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая при ударе о зеркальце анода З и идёт на создание рентгеновских фотонов. Но не все электроны, ударившись об анод, порождают фотоны. И не вся энергия электрона, породившего рентгеновский фотон, переходит фотону. Большая часть энергии электронов идёт на нагревание анода. Коэффициент полезного действия рентгеновской трубки 2-3%. Поэтому-то и зеркальце анода делается из тугоплавких металлов, а сам анод достаточно массивным, а в мощных рентгеновских трубках он ещё и снабжается специальным охлаждением.

Энергия рентгеновского фотона:

=меньше или равна энергии, приобретённого электроном при его разгоне электрическим полем между анодом и катодом еU_АК :

еU_АК

Поэтому

_min = (2.1)

здесь длина волны измеряется в нанометрах, а напряжение в киловольтах.

_min называется коротковолновой границей тормозного рентгеновского излучения

2. Спектр тормозного рентгеновского излучения

На рис. 2.3 а и 2.3 б показаны спектры тормозного рентгеновского излучения.

Рис. 2.3

- спектральная плотность потока рентгеновского излучения - энергия, излучённая за единицу времени рентгеновской трубкой в узком интервале длин волн , делённая на ширину этого интервала.

Видно, что;

1) Спектр тормозного рентгеновского излучения сплошной, на всех длинах волн от _min до .

2) Есть _m , при которой Ф максимальна. _{m min} .

3) При повышении напряжения U_АК коротковолновая граница_min сдвигается в сторону более коротких волн.

4) При повышении напряжения U_АК увеличивается площадь под кривой спектра, которая равна полному потоку рентгеновского излучения - энергии, излучённой за единицу времени на всём интервале длин волн.

3. Жёсткость и мощность рентгеновского излучения

А. Жёсткость рентгеновского излучения - определяет его проникающую способность и биологическое действие. Жёсткость зависит от энергии рентгеновского фотона =, следовательно от длины волны, которая определяется напряжением между анодом катодом рентгеновской трубки

_min =

Чем больше напряжение U_АК, тем короче длина волны_min, тем больше жёсткость рентгеновского излучения.

Б. Мощность рентгеновского излучения или поток - Ф – энергия, излучаемая рентгеновской трубкой за единицу времени вычисляется по формуле

, (2.2)

I – сила тока через рентгеновскую трубку, U_AK – напряжение между анодом и катодом, z – порядковый номер в таблице Менделеева элемента зеркальца анода, k = 10^-9 В^-1 – коэффициент пропорциональности .

Таким образом, мощность излучения рентгеновской трубки Ф можно повысить тремя способами: увеличив U_АК , I, или z. Последний способ повышения Ф применяется при изготовлении трубки. А пользователям приходится подбирать оптимальные значения напряжения и силы тока. Причём в некоторых случаях регулирование мощности изменением силы тока через трубку при постоянном напряжении между анодом и катодом предпочтительнее. При этом остаётся постоянной жёсткость и не увеличивается опасность лучевого поражения. Силу тока при постоянном U_АК можно увеличить, повышая температуру накала катода трубки, увеличивая этим количество электронов, вылетевших с катода в единицу времени. А этого можно достигнуть повышая напряжение накала накала катода U_н ( рис.2.3 б)

2.6 ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Характеристическое рентгеновское изучение возникает, когда электроны переходят с внешних электронных слоёв на внутренние ( рис. 2.4 а). Свободное место на внутренних электронных слоях создаётся, когда электроны с этих внутренних слоёв выбиваются либо другими быстрыми электронами, либо радиоактивным излучением, либо захватываются ядром при некоторых ядерных превращениях.

Характеристическое излучение на фоне тормозного возникает при больших напряжениях между анодом и катодом рентгеновской трубки. Электроны приобретают при этом большую энергию, проникают вглубь атомов зеркальца анода и выбивают электроны из внутренних электронных слоёв. Это можно обнаружить по появлению на спектре тормозного излучения пиков, соответствующих характеристическому изучению (рис 2.4 б).

Рис. 2.4. Характеристическое рентгеновское излучение (объяснения в тексте).

Спектр характеристического рентгеновского изучения в отличие от спектра тормозного рентгеновского излучения линейчатый (рис. 2.4 в). Линии собраны в серии, соответствующие тем электронным слоям, на которые переходят с верхних слоёв электроны, излучающие рентгеновские фотоны: K, L, M и т. д. Длины волн и, соответственно, частоты спектра характеристического излучения связаны с порядковым номером элемента z законом Мозли (1913 год).

(2.3)

ν- частота, λ - длина волны, соответствующие определённой линии данной серии, А и В – константы, определяемые спектральной серией и номером спектральной линии в серии, одинаковые для всех элементов. Закон Мозли снабдил химиков однозначным способом измерения порядкового номера элемента. Полученные данные подтвердили открытый за полвека до этого периодический закон Д.И.Менделеева. Характеристическая рентгеновская спектроскопия – великолепный метод качественного химического анализа. Она даёт ответ на вопрос – какие элементы содержит исследуемый образец? Причём, вид характеристического спектра не зависит от того, в какие соединения входит элемент. Поэтому излучение и названо характеристическим. Характеристическая рентгеновская спектроскопия позволяет определять из атомов каких элементов состоят молекулы исследуемого вещества.

2.7. РЕНТГЕНОСРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Рентгеноструктурный анализ – метод исследования микроструктуры объекта, основанный на изучении дифракции рентгеновских лучей на атомах и молекулах (рис. 2.5).

Рис.2.5. К выводу формулы Вульфа – Брэггов ( объяснения в тексте ).

Рентгеновские лучи, падающие на поверхность кристалла под небольшим углом скольжения , дифрагируют на атомах кристалла так, что вторичные волны можно рассматривать как бы отразившимися от кристаллографических плоскостей. Луч 1, отразившийся от верхней кристаллографической плоскости АА, интерферирует с лучом 2, отразившимся от нижней плоскости ББ. Разность хода этих лучей

= СB + BD = 2AB sin, так как АС и АВ перпендикуляры к падающим 1 и 2 и лучам, а углы САВ и ВАD равны .

Максимумы интерференции будут, когда разность хода равна целому числу длин волн:

,

(2.4)

𝑙 = АВ – расстояние между соседними кристаллографическими плоскостями.

Это формула Вульфа- Брэггов – основа рентгеноструктурного анализа. Но, на самом дел развитая теория рентгеноструктурного анализа, в основе которого эта простая формула, очень сложна.

Меняя углы скольжения падающего на кристалл рентгеновского излучения, определив , при которых получатся максимум интерференции дифрагировавших лучей и, зная длину волны, можно рассчитать расстояние между кристаллографическими плоскостями.

Методом рентгеноструктурного анализа в середине прошлого века английские учёные Дж. Уотсон и Ф. Крик сделали открытие, имевшее огромное значение для биологии. Они установили структуру ДНК – двойную спираль. В настоящее время метод рентгеноструктурного анализа широко применяется для исследования биологических макромолекул.

.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 2

1.Отклоняются ли рентгеновские лучи в электрическом, магнитном поле? Почему не наблюдалась дифракция рентгеновских лучей на дифракционных решётках, применяемых для исследования световых лучей? Какие исследования позволили выяснить природу рентгеновского излучения?

2.Какие свойства рентгеновских лучей позволили их применить в рентгеноскопии, рентгенографии, флюорографии, компьютерной томографии, в рентгенотерапии?

3. Как можно, не меняя жёсткости рентгеновского излучения, увеличить его мощность?

4. Во сколько раз изменится коротковолновая граница спектра тормозного рентгеновского излучения, скорость электронов, подлетающих к аноду рентгеновской трубки и мощность рентгеновского излучения, если напряжение между анодом и катодом трубки увеличить в 4 раза?

5. В чём отличие механизмов возникновения тормозного и характеристического излучения?

6. Каким образом по виду характеристического спектра исследуемого образца можно определить, какие в нём содержатся химические элементы? Зависит ли характеристический спектр элемента от того в молекулы каких веществ этот элемент входит?

7. На каком явлении основан метод рентгеноструктурного анализа?

8. При исследовании молекулы белка методом рентгеноструктурного анализа обнаружено, что максимум первого порядка наблюдается под углом 10^-2 радиан. Длина волны рентгеновского изучения 10^-10 м. Найдите шаг спирали молекулы белка.