Природа возникновения рентгеновских лучей

35. Природа рентгеновского излучения. Устройство рентгеновских трубок и простейших рентгеновских аппаратов.

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 3 Å (от 10 −12 до 10 −7 м).

Природа рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка. Трубка оказалась источником излучения, которое могло проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора сантиметра. Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами Теперь известно, что X-лучи — вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10 -5 нм. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.

Рентгеновские трубки

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения.

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод. В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, — из молибдена или меди.

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Рентгеновский аппарат — источник рентгеновского излучения. Используется в медицине (рентгенография, рентгенотерапия), дефектоскопии. Рентгеновские аппараты особой конструкции применяются в рентгеноструктурном анализе.

В состав рентгеновского аппарата могут входить устройства визуализиции или записи изображения

Простейший рентгеновский аппарат состоит из источника высокого напряжения (катушка Румкорфа) и рентгеновской трубки (трубка Крукса). Изображение регистрируется на фотопластинку.

В состав рентгеновского аппарата входят следующие узлы

2. Повышающий трансформатор

3. Понижающий трансформатор

5. Высоковольтный выпрямитель

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

16. Природа рентгеновских лучей (открытие рентгеновских лучей, возможности рса)

Одним из важнейших методов изучения внутреннего строения кристаллических веществ является рентгеноструктурный анализ.

В основе этого метода лежит явление взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей.

Используя РСА можно получать информацию о:

• фазовом составе,
• среднем размере зерен,
• внутренних упругих напряжениях,
• плотности дислокаций,
• постоянной решетки,
• кристаллографической текстуре

17. Формула Вульфа-Брэгга



В 1913 г. австралийский физик У.Л.Брэгг и одновременно российский ученый Г.В.Вульф предложили наглядную трактовку возникновения дифракционных лучей в кристалле. Они показали, что дифракцию рентгеновских лучей можно объяснить, считая кристалл состоящим из параллельных плоскостей атомов, отстоящих друг от друга на межплоскостное расстояние d. При этом должны соблюдаться два условия. Во-первых, рентгеновские лучи должны испытывать зеркальное отражение, при котором угол падения равен углу отражения. Во-вторых, необходимо, чтобы лучи отраженные от соседних плоскостей взаимно усиливали друг друга в результате интерференции. В этом случае лучи испытавшие зеркальное отражение от двух соседних плоскостей имеют разность хода равную 2dsinq, где q — угол падения. Интерференция с усилением будет происходить только в том случае, если разность хода будет составлять целое число волн, что приводит к знаменитому соотношению Вульфа-Брэгга: 2d_hklsinq = nl где: d_hkl – межплоскостное расстояние для семейства плоскостей с индексами (hkl); n – порядок отражения; λ – длина волны; θ – угол между падающим лучом и поверхностью образца.

18. Свойства рентгеновского излучения (длина волны и энергия рентгеновского излучения)

В спектре электромагнитных волн рентгеновские лучи лежат в диапазоне от величины примерно 0,1 ангстрема до длины волны примерно 300 ангстрем. Малая длина волны рентгеновского излучения по сравнению со световыми волнами, имеющими диапазон (400-760 нм), обуславливает их способность проникать сквозь непрозрачные для световых лучей объекты и вызывать, например, засвечивание фотопленки защищенные от воздействие света. Длина волн рентгеновских лучей, имеющая величину порядка 2 ангстрема сравнима с межатомными расстояниями в кристаллах и размерами атомов. Поэтому рентгеновские лучи часто используются для изучения структуры кристаллических веществ с помощью рентгеноструктурного анализа. Энергия рентгеновского излучения равна: E = hc/l где: h — постоянная Планка, равная 6,6262.10-34 Дж . с, c — скорость света в вакууме c = 2,9979.108 м/c. Энергию жестких рентгеновских лучей традиционно выражают в электронвольтах (эВ), единицей которого является 1 эВ равный 1,6022.10-19 Дж. Если длину волны l выразить в ангстремах, а ее энергию в электронвольтах, то энергия рентгеновского излучения будет равна, Е=12,4/l. Следовательно, рентгеновский диапазон длин волн 0,1 – 300 ангстрем соответствует примерно диапазону энергий 4,1 — 124 кэВ. Эти значения энергии рентгеновских лучей примерно в 1000 раз выше, чем для волн видимого света, и сравнимы по величине с энергией связи внутренних электронов атома с ядром. Эта особенность рентгеновских лучей привела к быстрому развитию рентгеновской спектроскопии, позволяющей получить сведения о строении электронных оболочек атомов, а также рентгеноспектральному анализу, с помощью которого можно быстро и надежно определить элементный состав самых разнообразных материалов.

Источник