Физическая сущность и основные свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение - это вид электромагнитных ко­лебаний, возникающих при резком торможении ускоренных

электронов в момент их столкновения с атомами вещества анода рентгеновской трубки либо при перестройке электрон­ных

оболочек атомов.

По своей физической сущности рентгеновские лучи ничем не отличаются от других видов электромагнитных колебаний

(лучи видимого света, инфракрасные, ультрафиолетовые лучи, радиоволны и. р.). Различие состоит лишь в длине волны.

Место, которое занимают рентгеновские лучи среди других электромагнитных излучений, показано в табл 1.

Рентгеновское излучение генерируется в рентгеновской трубке, которая представляет собой устройство, состоящее из

стеклянного баллона и двух металлических электродов катода и анода (антикатода). Внутри баллона создается

высокое ра зрежение воздуха. Катод подключен к отрицательному, а анод к положительному полюсу источника высокого

напряжения.

Длина волн различных видов электромагнитных излучений

Табл. 1

Вид излучения	Длина волн
Космические лучи Гамма лучи радиактивных элементов Рентгеновские лучи Ультрафиолетовые лучи Лучи видимого света Инфракрасные лучи Радиоволны	5*10-5 – 1*10-3 1*103 – 3*10-3 3*10-3 – 1,5 1.5 – 100 400 – 700 400 – 0,15 см 0,15 см – 30 км

На нить накала катода подается напряжение около 10 В. При протекании тока в цепи накала катод начинает испускать свободные

электроны ( электронная эмиссия), которые образуют вокруг него электронное облако (рис. 1,а). Под воздействием высокого

напряжения между анодом и катодом электроны устремляются к положительно заряженному аноду. В трубке имеется также

фокусирующее устройство, которое направляет поток электронов в одну точку – фокусное пятно анода. При столкновении

электронов с анодом в результате резкого торможения происходит превращение кинетической энергии электронов в тепловую

энергию и энергию рентгеновского излучения (рис. 1,б).

В связи с тем, что образование рентгеновских лучей в рассмотренном варианте связано с торможением потока электронов,

данный вид излучения называют тормозным.

Интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна силе тока квадрату напряжения на трубке и атомному номеру

вещества анода. Она м.б. рассчитана по формуле

Ф=К*Z*V²*I,

Где Ф- интенсивность рентгеновского излучения, V- напряжение, I- сила тока в рентгеновской трубке, Z- атомный номер

элемента вещества анода, К- коэффициент пропорциональности (К=10^-9*В).

Величина тока через трубку (в мА) зависит от количества свободных электронов, источником которых служит нить накала

катода. Меняя напряжение в цепи накала трубки можно легко регулировать интенсивность рентгеновского излучения.

1 Схематическое изображение образования рентгеновского излучения

а - электронная эмиссия , б - генерирование рентгеновского излучения.

Так, если увеличить ток через трубку с 2 до 4 мV, то интенсивность рентгеновского излучения увеличится в 2 раза. Если же

увеличить вдвое напряжение на трубке, то интенсивность излучения возрастет в 4 раза. Однако при этом изменится не только

количество, но и качество рентгеновских лучей, которое характеризуется энергией излучения.

Энергию выражают в джоулях, но в электротехнике принята и другая единица – электронвольт (эВ). Электронвольт- энергия.

Которую приобретает электрон в электрическом поле с разницей потенциала в 1 В. Это очень небольшая величина. Она

соответствует энергии в 1,6*10^-19 джоуля. Поэтому пользуются кратными единицами – килоэлектронвольт (кэВ= 10³ эВ)

С увеличением высокого напряжения ( разности потенциалов на электродах трубки) возрастает энергия излучения и

уменьшается длина волн рентгеновских лучей. Коротковолновое излучение принято называть «жестким». Оно обладает

большей проникающей способностью, чем длинноволновое – «мягкое».

Помимо тормозного рентгеновского излучения известно так называемое Характеристическое излучение. Оно образуется

вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атомов и выбивают электроны из внутренних оболочек.

Освободившееся места занимают электроны верхних уровней. При этом атом испускает фотоны характеристического

рентгеновского излучения , названного так в связи с тем, что оно характеризует вещество анода рентгеновской трубки.

В отличие от тормозного излучения, имеющего непрерывный спектр, характеристические рентгеновские лучи имеют спектр

линейчатый (дискретный), типичный для атомов каждого химического вещества.

1) Применение рентгеновского излучения в медицине для диагностики и лечения основано на его способности:

проникать через различные вещества, в том числе через органы и ткани человеческого тела, не пропускающие лучи видимого

света;

вызывать флюоресцентное свечение некоторых химических соединений активированные сульфиды цинка и кадмия, кристаллы

вольфромата кальция). На этом свойстве основано рентгеновское просвечивание, а так же использование усиливающих дюранов

при рентгенографии.

2) Оказывать фотохимическое воздействие разлагать соединения серебра с галогенами и вызывать починнение фотографических

свойств ( в том числе рентгенографической пленки). Это свойство лежит в основе получения рентгеновских снимков;

4) вызывает физиологические и патологические (в зависимости от доли изменения в облученных органах и тканях

(оказывать биологическое действие). На этом свойстве основано использование рентгеновского излучения для лечения

опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний. Однако при недостаточно контролируемом облучении в больших дозах

возможно развитие острой или хронической лучевой болезни либо лучевых поражений;

5) передавать энергию излучения атомам и молекулам окружающей среды, вызывая их возбуждение, а также распад на

положительные и отрицательные ионы - ионизационное действие. При определенных условиях между ионизационным

эффектом и длиной облучения существует прямая зависимость. Это позволяет, оценивая с помощью специальных

приборов (дозиметров) степень ионизации воздуха, определить количество и качество рентгеновских лучей,

применяемых для диагностики и терапии.

При взаимодействии рентгеновских лучей с веществом происходит поглощение энергии фотонов (фотон —частица

электромагнитного излучения, вызывающая ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Механизм взаимодействия

рентгеновских лучей с веществом зависит главным образом от их энергии. Различают три основных вида передачи энергии

электромагнитных излучений веществу: фотоэлектрический эффект Комптона и образование пар (рис. 2):