Лекция рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длинной от 80 до 10 –5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое – длинноволновым -излучением. Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. рис.1. К – катод А – анод 1 – пучок электронов 2 –рентгеновское излучение Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки. Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом: давление в ней порядка 10 –6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое напряжение U (несколько тысяч вольт). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при бомбардировке электронов. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама). Сильный разогрев анода обусловлен тем, что основное количество электронов в катодном пучке, попав на анод, испытывает многочисленные столкновения с атомами вещества и передает им большую энергию. Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий. Кинетическая энергия электрона равна mv 2 /2. Она равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электростатическом поле трубки: mv 2 /2 = eU (1) где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение. Процессы приводящие к возникновению тормозного рентгеновского излучения обусловлены интенсивным торможением электронов в веществе анода электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов. Механизм возникновения можно представить следующим образом. Движущиеся электроны – это некоторый ток, образующий свое магнитное поле. Замедление электронов – снижение силы тока и, соответственно, изменение индукции магнитного поля, которое вызовет возникновение переменного электрического поля, т.е. появление электромагнитной волны. Таким образом, когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою энергию и скорость и излучает электромагнитные волны.
Спектральные свойства тормозного рентгеновского излучения.
Итак, в случае торможения электрона в веществе анода возникает тормозное рентгеновское излучение.Спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным. Причина этого в следующем. При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е1 = Q), другая часть на создание фотона рентгеновского излучения (Е2 = hv), иначе, eU = hv + Q. Соотношение между этими частями случайное. Таким образом, непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения образуется благодаря торможению множества электронов, каждый из которых испускает один квант рентгеновского излучения hv (h
) строго определенной величины. Величина этого кванта различна для разных электронов. Зависимость потока энергии рентгеновского излучения от длины волны , т.е. спектр рентгеновского излучения представлен на рис.2. 
Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода. Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны min. Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0): eU = hvmax = hc/min, min = hc/(eU), (2) min(нм) = 1,23/UкВ Спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение min смещается в сторону коротких длин волн (рис. 2a). При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б). Поток энергии Ф тормозного излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода: Ф = kZU 2 I. (3) где k = 10 –9 Вт/(В 2 А).
Источник
Природа рентгеновских лучей
Лучи, которые сейчас называют рентгеновскими, были открыты 7 ноября 1895 г. физиком В. К. Рентгеном. Официальной те датой открытия этих лучей считается 28 декабря 1895 г., когда Рентген, после изучения открытых им Х-лучей, опубликовал первое сообщение об их свойствах.
Эти Х-лучи стали называть рентгеновскими с 23 января 1896 года, когда В. К. Рентген сделал публичный доклад об Х-лучах на заседании физико-медицинского общества. На этом заседании было единогласно принято решение назвать Х-лучи рентгеновскими.
Природа Рентгеновских лучей оставалась мало исследованной в течение 17 лет со дня их открытия В. К. Рентгеном, хотя вскоре после открытия этих лучей сам ученый и целый ряд других исследователей отмечали сходство их с видимыми лучами.
Сходство подтверждалось прямолинейностью распространения, отсутствием отклонения их в электрическом и магнитном полях. Но, с другой стороны, не удалось обнаружить ни явления преломления призмой, ни отражения от зеркал и целого ряда других свойств, характерных для видимого света, имеющего волновую природу.
И только в 1912 году первоначально нашему соотечественнику знаменитому русскому физику А. И. Лебедеву, а затем немецкому физику Лауэ удалось доказать, что рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и лучи видимого света, т. е. являются электромагнитными волнами. Таким образом, рентгеновские лучи по своей природе одинаковы с радиоволнами, инфракрасными лучами, лучами видимого света и ультрафиолетовыми лучами.
Разница между этими лучами только в том, что они имеют разную длину волны электромагнитных колебаний. Среди перечисленных выше рентгеновы лучи имеют очень малую длину волны. Поэтому они требовали особых условий производства опыта для выявления преломления или отражения.
Длину волны рентгеновских лучей измеряют очень маленькой единицей, называемой «ангстрем» (1Å=10–8 см, то есть равен сто миллионной доле сантиметра). Практически в диагностических аппаратах получаются лучи с длиной волны 0,1–0,8 Å.
Свойства рентгеновских лучей
Рентгеновские лучи проходят через непрозрачные тела и предметы, такие как, например, бумага, материя, дерево, ткани человеческого и животного организма и даже через определенной толщины металлы. Причем, чем короче длина волны излучения, тем легче они проходят через перечисленные тела и предметы.
В свою очередь, при прохождении этих лучей через тела и предметы с различной плотностью они частично поглощаются. Плотные тела поглощают рентгеновские лучи более интенсивно, чем тела малой плотности.
Рентгеновские лучи обладают способностью возбуждать видимое свечение некоторых химических веществ. Например: кристаллы платино-цианистого бария при попадании на них рентгеновских лучей начинают светиться ярким зеленовато-желтоватым светом. Свечение продолжается только в момент воздействия рентгеновских лучей и сразу же прекращается с прекращением облучения. Платино-цианистый барий, таким образом, от действия рентгеновских лучей флюоресцирует. (Это явление послужило причиной открытия рентгеновских лучей.)
Вольфрамовокислый кальций при освещении рентгеновскими лучами также светится, но уже голубым светом, причем свечение этой соли продолжается некоторое время и после прекращения облучения, т. о. фосфоресцирует.
Свойство вызывать флюоресценцию используется для производства просвечивания при помощи рентгеновых лучей. Свойство же вызывать у некоторых веществ фосфоресценцию используется для производства рентгеновских снимков.
Рентгеновские лучи также обладают способностью действовать на светочувствительный слой фотопластинок и пленок подобно видимому свету, вызывая разложение бромистого серебра. Иными словами, эти лучи обладают фото-химическим действием. Это обстоятельство дает возможность производить при помощи рентгеновских лучей снимки с различных участков тела у человека и животных.
Рентгеновские лучи обладают биологическим действием на организм. Проходя через определенный участок тела, они производят в тканях и клетках соответствующие изменения в зависимости от вида ткани и количества поглощенных ими лучей, т. е. дозы.
Это свойство используется для лечения целого ряда заболеваний человека и животных. При воздействии больших доз рентгеновских лучей в организме получается целый ряд функциональных и морфологических изменений, и возникает специфическое заболевание — лучевая болезнь .
Рентгеновские лучи, кроме того, обладают способностью ионизировать воздух, т. е. расщеплять составные части воздуха на отдельные, электрически заряженные частицы.
В результате этого воздух становится электропроводником. Это свойство используется для определения количества рентгеновских лучей, излучаемых рентгеновской трубкой за единицу времени при помощи специальных приборов — дозиметров.
Знание дозы излучения рентгеновской трубкой важно, когда производится рентгенотерапия. Без знания дозы излучения трубки при соответствующей жесткости нельзя проводить лечение лучами рентгена, так как легко можно вместо улучшения ухудшить весь процесс болезни. Неправильное использование рентгеновских лучей для лечения может погубить здоровые ткани и даже вызвать серьезные нарушения во всем организме.
Источник