Физическая природа излучений

Рентгеновское излучение по своей физической природе представляет собой электромагнитное излучение. В медицинских диагностических системах рентгеновское излучение формируется в результате столкновения внешнего электрона с вольфрамовым анодом в рентгеновской трубке, в результате чего атом приходит в состояние возбуждения. В стабильном состоянии энергетические уровни или орбитали атомов вольфрама (К, L, М и т.д.) насыщены электронами вплоть до оболочки N; даже оболочки О и Р частично заполнены электронами (РИС.4).

Возбудившись, электрон перемещается с оболочки с низким энер­гетическим уровнем (например, оболочка К) на оболочку с более высоким энергетическим уровнем. Возбужденное состояние прекра­щается при эмиссии рентгеновского излучения в тот момент, когда электрон с оболочки L или, что менее вероятно, М падает на оболо­чку К. Разница в энергии между этими оболочками (59 кэВ для К-альфа или 67 кэВ для К- бета) высвобождается в виде монохромати­ческого кванта. Данное заполнение электронной ниши в оболочке сопровождается сериями подобных событий на более высоких орби­тах с уменьшающимися раз за разом преобразованиями энергии до тех пор, пока система не вернется в стабильное состояние. Все это происходит очень быстро, за периоды времени значительно короче одной миллиардной части секунды.

В соответствии с теорией корпускулярно-волнового дуализма, любое электромагнитное излучение имеет двойственную природу - фотон может вести себя как частица или как волна, то есть обладает волновыми и квантовыми свойствами. Поэтому любое излучение делится на два основных компонента:

1) излучение частиц, при котором только электрон (и позитрон, по­ложительный электрон) важны для методов визуализации;

2) электромагнитное излучение; его простейший элемент, квант, или фотон, перемещается со скоростью света и не имеет массы.

Таким образом, свойства излучения можно характеризовать тремя понятиями: энергия (измеряется в электрон-вольтах: эВ, кэВ и т.п.), частота (Гц, МГц и т.п.) и длина волны (см и т.п.). Частота прямо, а длина волны обратно пропорциональны энергии. Электромагнитное излучение изменяется от крайне низких энергий (низкая часто­та или большая длина волны) до высоких энергий.

Существуют как чисто волновые свойства излучений (поляризация, дисперсия, дифракция), так и квантовые (фотоэффект и эффект Комптона). Кроме того, для излучений характерны такие свойства, как отражение, преломление, давление, природу которых можно объяснить как с квантовых, так и с волновых позиций.

Электромагнитные волны представляют собой особую форму материи – распространяющееся переменное электромагнитное поле, которое характеризуется напряженностью и индукцией. В целом, волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Важнейшей характеристикой волны является её скорость. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны 300 000 км/c (скорость света). Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

Шкала электромагнитных излучений охватывает огромный диапазон длин волн и частот (РИС.5). Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, обладают одной физической природой. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Длина электромагнитных волн может быть самой различной: от значений порядка 103 м (радиоволны) до 10-8 см (рентгеновские лучи). Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации:

- рентгеновское излучение, ультрафиолетовый и видимый свет воз­никают из-за изменений в электронных оболочках;

- инфракрасное излучение является следствием тепла, высвобожда­емого движением атомов и молекул;

- радиоволны возникают из-за движения электронов в проводнике и, помимо этого, из-за изменений в ядерной орбите, изменений спина и т.п.;

- гамма-излучение вызывается последствиями изменений возбуж­денного состояния ядра.

По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по способности к поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно гамма-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волн. Основное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями заключается в том, что коротковолновое излучение более обнаруживает свойства частиц (квантовые свойства).

Основные виды диагностических излучений

Все излучения, используемые в медицинской радиологии, разделяют на две большие группы: неионизирующие и ионизирующие. Основное отличие этих групп заключается в том, что неионизирующие излучения, в отличие от ионизирующих, при взаимодействии со средой не вызы­вают ионизации атомов, т. е. их распада на противоположно заряженные части­цы - ионы.

Неионизирующие излучения

К неионизирующим излучениям принадлежит тепловое (инфракрас­ное) излучение и резонансное, возникающее в объекте (тело человека), поме­щенном в стабильное магнитное поле, под действием высокочастотных электро­магнитных импульсов. Кроме того, к неионизирующим излучениям условно относят ультразвуковые волны, представляющие собой упругие колебания среды.

Инфракрасное излучение испускают все тела, температура которых выше абсолютного нуля. Интенсивным источником такого излучения являются ткани человеческого тела. Это электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей 1 - 2мм, но большей 8*10^-7 м, т. е. лежащее между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света. Интенсивность инфракрасного излучения пропорциональна 4-й степени температуры тела - возрастание температуры тела в 2 раза приведет к увеличению интенсивности излучения в 16 раз. Максимальное излучение человека лежит в области длинноволнового ИК-излучения и составляет в среднем 9,6 мкм. Энер­гия инфракрасных лучей меньше, чем световых, поэтому они не действуют на фотомате­риалы. В лучевой диагностике используется для дистанционной и контактной термографии.

Резонансное излучение используется в магнитно-резонансной диагностике – для магнитно-резонансной томографии и магнитно-резонансной спектроскопии. Это излучение испускают ядра водорода в теле человека, поме­щенном в стабильное магнитное поле, под действием высокочастотных электро­магнитных радиочастотных импульсов. По своей физической природе это излучение представляет собой радиоволны с большой длиной волны (порядка 42 МГц).

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колеба­тельное движение частиц упругой среды. В зависимости от частоты колебаний звуковые волны делят на инфразвук - до 20 колебаний в секунду - 20 герц (Гц), собственно звук - от 20 Гц до 20 килогерц (кГц) и ультразвук - свыше 20 кГц. В медицинской диагностике применяют ультразвук частотой от 0,8 до 15 млн герц (МГц). Ультразвук не относится к электромагнитным волнам и используется для ультразвуковой диагностики.