8.1. Рентгенівські промені

8.1.1. Історія відкриття рентгенівських променів, праці і. Пулюя

У кінці 1895 р. Вільгельм Конрад Рентген повідомив про відкриття ним нових променів, які були названі А'-про-менями. 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 pp.), 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 pp. -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 А'-променів. І. Пулюй відкрив іонізуючу здатність /V-проме-нів, 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 Нобелевську премію з фізики. І внаслідок цих випадкових обставин, на жаль, 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.

8.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання

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

Тоді ще вчені, навіть такі досвідчені, як П.М. Лебедев, 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 ЗО 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 вченийфізик П. М. Лебедев, 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 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 тискуВ балон впаяні два електроди: катод анодА (рис. 8.1).

Анод (антикатод) - металевий стержень, на скошеному кінці якого закріплена пластинка 3 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.

Рис. 8.1. Будова рентгенівської трубки.

Катод становить спіраль із вольфрамового дроту, який нагрівається електричним струмом від джерела роз­жарювання 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 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 трубціі має різку межу з боку коротких довжин хвиль; 2) характеристичний (ліній­чатий), що залежить від матеріалу антикатода.