Презентация к уроку "Рентгеновские лучи"

Рентгеновское излучение

Исторический очерк

Р. л. открыты в 1895 В. К. Рентгеном и названы им Х-лучами .

В течение 1895—97 Рентген исследовал свойства Р. л. и создал первые рентгеновские трубки .

Электромагнитная природа Р. л. была предсказана Дж. Стоксом и экспериментально подтверждена Ч. Баркла , открывшим их поляризацию .

В 1912 нем. физики М. Лауэ, В. Фридрих и П. Книппинг обнаружили дифракцию Р. л. на атомной решётке кристаллов.

В 1913 Г. В. Вульф и независимо от него У. Л. Брэгг нашли простую зависимость между углом дифракции, длиной волны Р. л. и расстоянием между соседними параллельными атомными плоскостями кристалла.

В 20-х гг. началось применение рентгеновских спектров для элементного анализа материалов .

В СССР в развитии исследований и применении Р. л. большую роль сыграл Физико-технический институт , основанный А. Ф. Иоффе.

Краткое знакомство

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны , энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением

= 10 −2 до 10 3 Å (от 10 −12 до 10 −7 м )

= 3×10 16  Гц до 6×10 19 Гц

Å – А́нгстрем - единица измерения расстояний, равная 10 −10 м

( 1 Å = 0,1 нм ; 10000 Å = 1 мкм).

Мягкий рентген обладает наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны ).

Жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны).

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения при одинаковой энергии фотонов — эквивалентны.

Терминологическое различие лежит в способе возникновения — рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер.

Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100  эВ до 250   кэВ

эВ - электрон-вольт

Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U — разность потенциалов), а заряд электрона составляет −1,602 176 487(40)×10−19 Кл , то

1 эВ = 1,602 176 487(40)×10−19 Дж = q

10 3 эВ = килоэлектронвольт [ кэВ ]

Источники

рентгеновских лучей

Естественные источники Р. л. — Солнце и другие космические объекты.

NGC 604: рентгеновское излучение гигантской области звездообразования,

2009 год

Магнитная звезда – магнетар испускает рентгеновские лучи очень высокой мощности.

Самый распространенный источник – рентгеновская трубка

X — рентгеновские лучи,

K — катод,

А — анод (иногда называемый антикатодом),

С — теплоотвод,

Uh — напряжение накала катода,

Ua — ускоряющее напряжение,

Win — впуск водяного охлаждения, Wout — выпуск водяного охлаждения.

Р.т. - электровакуумный прибор .

Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов, ускоренных сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом, частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения.

Излучение Р.т. представляет собой наложение тормозного рентгеновского излучения на характеристическое излучение вещества анода.

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 .

Оба эффекта используемых в рентгеновских трубках:

• Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение),
• Высокоэнергетический переход в электронных оболочках атомов или молекул.

Распределение интенсивности I тормозного излучения W по длинам волн λ при различных напряжениях V на рентгеновской трубке.

В качестве источников Р. л. могут служить также некоторые радиоактивные Изотопы : одни из них непосредственно испускают Р. л., ядерные излучения других (электроны или α-частицы) бомбардируют металлическую мишень, которая испускает Р. л.

         Источниками мягких Р. л. с λ порядка десятков и сотен Å могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв . По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2—3 порядка.

Свойства

или

взаимодействие с веществом

Не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей.

В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз .

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают.

Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке .

Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое

I =  I 0 e - k d

I 0 - начальная интенсивность,

коэффициент k пропорционален Z ³λ³ ,

Z — атомный номер элемента,

λ — длина волны,

d — толщина слоя

Поглощение происходит в результате:

фотопоглощения (фотоэффекта),

комптоновского рассеяния,

за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (

Фотоэффект наблюдается в том случае, когда атом, поглощая рентгеновский фотон, выбрасывает один из своих внутренних электронов , после чего может совершить либо излучательный переход, испустив фотон характеристического излучения, либо выбросить второй электрон при безызлучательном переходе.

Под действием Р. л. на неметаллические кристаллы (например, на каменную соль) в некоторых узлах атомной решётки появляются ионы с дополнительным положительным зарядом , а вблизи них оказываются избыточные электроны.

Такие нарушения структуры кристаллов, называемые рентгеновскими Экситонами , являются центрами окраски и исчезают лишь при значительном повышении температуры.

Экситонный спектр поглощения Cu 2 O (пластинки толщиной 60мкм) при 4,2 К. Видны члены серии, начиная с n =3 ( = 573,5 нм.)

Спектры р.л. могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими).

Непрерывный рентгеновский спектр испускают быстрые заряженные частицы в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени,

Линейчатое излучение возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона одной из его внутренних оболочек .

Такая ионизация может быть результатом столкновения атома с быстрой частицей, например электроном, или поглощения атомом фотона (флуоресцентные Р. л.). Ионизованный атом из начального сочтония через 10-16—10-15 сек переходит в конечное состояние с меньшей энергией .

При этом избыток энергии атом может испустить в виде фотона определённой частоты.

Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения.

Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.

При облучении вещества светом возможен переход электронов между различными энергетическими уровнями .

После поглощения света часть энергии расходуется в результате релаксации . Часть же может быть испущена в виде фотона определённой энергии.

Типичное время жизни такого возбужденного состояния составляет 10 −11 −10 −6 с.

Рассеяние Р. л. в области

• больших Z и λ происходит в основном без изменения λ и носит название когерентного рассеяния ,

2) малых Z и λ , как правило, возрастает ( некогерентное рассеяние ).

комптоновское комбинационное

(Эффект Комптона)

Z — атомный номер элемента,

λ — длина волны

небольшая часть энергии фотона тратится на ионизацию атома и меняется направление движения фотона. Изменение таких фотонов не зависит от угла рассеяния.

за счёт частично потерянной рентгеновским фотоном энергии из оболочки атома вылетает электрон отдачи, при этом уменьшается энергия фотона и изменяется его направление; изменение λ зависит от угла рассеяния.

По квантовой теории световая волна представляет собой поток световых квантов — фотонов. Каждый фотон имеет определённую энергию E у = hυ = hcl λ и импульс p у = ( h/ λ) n ,

где λ — длина волны падающего света,

υ — его частота света,

с — скорость света,

h — постоянная Планка,

n — единичный вектор в направлении распространения волны,

индекс у означает фотон.

Таким образом, при «классическом» рассеянии, по теории Дж. Дж. Томсона длина световой волны не меняется.

Комптон-эффект , упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и гамма-излучения.

Рассеянные в парафине рентгеновские лучи имеют большую длину волны, чем падающие.

К. э. в квантовой теории выглядит как упругое столкновение двух частиц — налетающего фотона и покоящегося электрона.

Обратный К. э . часто привлекают для объяснения механизма излучения космических рентгеновских источников , образования рентгеновской компоненты фонового галактического излучения, трансформации плазменных волн в электромагнитные волны высокой частоты.

Показатель преломления n для Р. л. отличается от 1 на очень малую величину δ = 1— n ≈ 10 -6 —10 -5

Фазовая скорость Р. л. в среде больше скорости света в вакууме.

Отклонение Р. л. при переходе из одной среды в другую очень мало (несколько угловых минут).

При падении Р. л. из вакуума на поверхность тела под очень малым углом происходит их полное внешнее отражение.

Влияние Р. л. на живые организмы может быть полезным и вредным в зависимости от вызванной ими ионизации в тканях.

Поскольку поглощение Р. л. зависит от λ , интенсивность их не может служить мерой биологического действия Р. л. Количественным учётом действия Р. л. на вещество занимается Рентгенометрия , единицей его измерения служит Рентген .

Дозе в 1 р соответствует образование : 2,57976․10 -4 к/кг или 2,0․10 9 пар ионов в 1 см 2

Регистрация

Эффект люминесценции. Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение ( флюоресценцию) .

Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии ).

Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией.

При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе.

Медицинские фотоплёнки применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры , которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию .

Фотоплёнка  — фотоматериал на гибкой прозрачной основе представляющий собой лист пластика (лавсан, нитрат или ацетат целлюлозы), на который нанесена фотоэмульсия, содержащая зерна галогенидов серебра , определяющие светочувствительность, контраст и оптическое разрешение фотоплёнки .

После воздействия света (или других форм электромагнитного излучения, например рентгеновского) на фотоплёнке формируется скрытое изображение . С помощью химических реакций получают видимое изображение.

Рентгенолюминофоры   преобразовывают рентгеновского излучения в видимый свет, это порошковые материалы, состоящие из сульфидов цинка, цинк-кадмия и вольфрамата кальция со специальной поверхностной обработкой.

Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию . Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30—100 раз большая экспозиция (то есть доза).

Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранна рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.

Фотоэмульсия  - Очень тонкие желатиновые слои на подложке пленки, в которых взвешены светочувствительные кристаллы . Под воздействием света в фотоэмульсии происходят химические реакции, в результате чего формируется скрытое (латентное) фотографическое изображение .

Р. л. больших интенсивностей можно регистрировать с помощью ионизационной камеры.

Ионизационная камера - прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа.

Р. л. средних и малых интенсивностей при λ

С.с . Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (α-частиц, осколков деления ядер)

Г-М с . - газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α - и β -частиц, γ -kвантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах

Применение

При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело , в результате чего можно получить изображение костей , а в современных приборах и внутренних органов .

Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Рентгенотерапия — раздел лучевой терапии , охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении на рентгеновской трубке 20—60 кв и кожно-фокусном расстоянии 3—7 см (короткодистанционная рентгенотерапия) или при напряжении 180—400 кв и кожно-фокусном расстоянии 30—150 см (дистанционная рентгенотерапия).

Рентгенотерапию проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).

Показаниями к применению лучей Букки являются : вульгарные угри, гидраденит, нейродермит, экзема хроническая и себорейная, келоид, псориаза и экземы волосистой части головы (без выпадения волос, как при других типах лучевой терапии). Под влияним лучей Букки исчезает чувство кожного зуда.

Однако, в настоящее время от применения этого вида лучевой терапии в дерматологии практически отказались в пользу различных видов ультрафиолетового облучения , вследствие частых осложнений, вызываемых лучами Букки.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

Кроме того, при помощи р.л. может быть определён химический состав вещества . В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами , при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение . Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом .

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы , позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

Спектральный анализ рентгеновский по положению и интенсивности линий характеристического спектра позволяет установить качественный и количественный состав вещества и служит для экспрессного неразрушающего контроля состава материалов на металлургических и цементных заводах , обогатительных фабриках.

Р. л., приходящие из космоса, несут информацию о химическом составе космических тел и о физических процессах , происходящих в космосе. Исследованием космических Р. л. занимается Рентгеновская астрономия .

Мощные Р. л. используют в радиационной химии для стимулирования некоторых реакций, полимеризации материалов, крекинга органических веществ.

Р. л. применяют также для обнаружения старинной живописи , скрытой под слоем поздней росписи, в пищевой промышленности для выявления инородных предметов , случайно попавших в пищевые продукты, в криминалистике, археологии и др.

Общий вид рентгеновских трубок для структурного анализа (а), дефектоскопии (б) и медицинской рентгенодиагностики (в).

Спасибо за внимание !