Рентгеновские лучи

Я не прорицатель и не люблю пророчеств.

Я продолжаю мои исследования, и, пока

я не располагаю гарантированными

результатами, я их не опубликую.

В.К. Рентген

В данной теме разговор пойдёт о рентгеновском и гамма-излучениях.

Условно все виды электромагнитных волн делятся на 7 основных диапазонов — это низкочастотные излучения, радиоизлучения, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

В прошлой теме подробно были рассмотрены инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением. Весь диапазон данного вида излучения делится на три основных составляющих — это коротковолновая область, средневолновая область и длинноволновая область.

Ультрафиолетовое излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Его также делят на подгруппы — это ближний, средний, дальний и экстремальный ультрафиолет.

Осталось рассмотреть последние области шкалы электромагнитных излучений, а именно области рентгеновского и гамма-излучений.

Врачи прошлых веков и не мечтали о том, чтобы без хирургического вмешательства заглянуть внутрь живого человека. И то, что для них было просто сказкой, стало в наши дни обыденной реальностью. Современная медицина не представляет, как можно обходиться без рентгена в диагностике многих заболеваний, ведь сегодня это самый распространенный метод диагностических исследований. Однако в свое время открытие рентгеновского излучения Вильгельмом Конрадом Рентгеном стало переворотом в науке и в медицине в том числе. И так, как же это произошло?

Это открытие произошло 8 ноября 1895 года. В то время всеобщее внимание физиков было привлечено к изучению газового разряда при малом давлении. При таких условиях в газоразрядной трубке возникали потоки очень быстрых электронов. Так как природа этих лучей не была достоверно установлена, а начинались они на катоде вакуумной трубки, то их называли катодными лучами. И так, 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно работал в своей лаборатории допоздна. Уже собираясь уходить домой, он, затушив лампу, неожиданно увидел легкое зеленоватое свечение. Это светилась баночка с препаратом на столе. Осмотревшись вокруг, Рентген заметил, что забыл выключить электронно-лучевую вакуумную трубку. Он отключил прибор — свечение исчезло, включил — снова появилось. Но самым удивительным было то, что электронно-лучевая трубка стояла в одном конце комнаты, а баночка с препаратом — в другом. Ученый решил, что это от прибора исходит какое-то излучение.

Понимая, что столкнулся с новым явлением, Вильгельм Рентген начал исследовать эти загадочные лучи. Напротив трубки он установил экран и, для определения проникающей способности новых лучей, помещал перед ним различные предметы — книги, деревянную доску, листы бумаги — все они оказались «прозрачными» для лучей. Однако, поместив перед экраном деревянную коробочку с набором гирь, на экране были хорошо видны их тени — металл хорошо поглощал новый вид излучения.

При дальнейшем изучении новых лучей, под их пучок случайно попала рука ученого. Рентген замер на месте — на экране он увидел собственные двигающиеся кости руки. Сделав вывод о том, что костная ткань, подобно металлу, является не проницаемой для данного вида излучения, Рентген поспешил сообщить о своем открытии самому близкому человеку — своей жене фрау Берте. На рисунке изображен первый в истории рентгеновский снимок — рука фрау Берты.

Свое открытие, Вильгельм Рентген описал в рукописи «О новом виде лучей», где называет их «Х-лучами».

Открытие Х-лучей, потрясло весь мир. Физики с восторгом приняли открытие Рентгена и назвали в его честь новые лучи рентгеновскими. А в 1901 году Вильгельм Рентген стал первым физиком, получившим Нобелевскую премию.

Исследование рентгеновских лучей показало, что они способны вызывать ионизацию воздуха, действуют на фотопластинку, но заметным образом не отражаются от веществ и не преломляются. Помимо всего прочего, электромагнитное поле также не оказывает никакого влияния на направление их распространения. В связи с этим многие ученые считали, что «Х-лучи» — это электромагнитные волны, а их большая проникающая способность связывалась с малой длиной волны. Но эта гипотеза нуждалась в доказательствах, которые были получены только спустя 15 лет после смерти Вильгельма Рентгена.

Все дело в том, что если рентгеновское излучение действительно является электромагнитной волной, то оно должно обнаруживать явление дифракции. Однако многочисленные попытки обнаружить это явление на очень узких щелях в свинцовых пластинах не удавалось. Выход нашел немецкий физик Макс фон Лауэ, предположив, что дифракцию этих волн невозможно обнаружить на искусственных препятствиях из-за их очень маленькой длины волны, так как невозможно сделать щели размером 10^–8 см, так как такие размеры имеют только атомы. А если рентгеновское излучение имеет такую же длину волны, то остается только единственная возможность — использовать кристаллы, с упорядоченной структурой, где расстояния между отдельными атомами соизмеримы с размерами самих атомов.

И вот, два студента Лауэ — Фридрих и Книпинг — направляют узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл, за которым располагалась фотопластинка. И вот, наряду с большим центральным пятном, которое давали прямолинейно распространяющиеся лучи, возникли регулярно расположенные небольшие пятна вокруг центрального. Таким образом, было доказано, что рентгеновские лучи являются электромагнитной волной, так как появление дополнительных пятен можно было объяснить только явлением дифракции рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла.

В настоящее время для получения рентгеновских лучей применяется прибор, называемый рентгеновской трубкой, устройство которой разработал сам Рентген.

Рентгеновская трубка — это электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения. Излучающий элемент представляет собой вакуумный сосуд с тремя электродами: катодом, накалом катода и анодом.

Катод представляет собой вольфрамовую спираль, которая испускает электроны. Эти электроны под действием разности потенциалов между катодом и анодом ускоряются и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона. В мощных рентгеновских трубках анод охлаждается проточной водой, так как в процессе «ускорение — торможение» не более 3% кинетической энергии электрона идет на рентгеновское излучение, остальная энергия превращается в тепло.

В наше время рентгеновские лучи применяют в различных областях науки и техники. С их помощью можно достоверно определять подлинности картин, отличать драгоценные камни от подделок, а таможенным службам стало легче искать контрабандный товар.

Весьма обширны применения этих лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удается установить их структуру. С их помощью можно определять строение сложных органический соединений, в том числе и белков. Так, например, была определена структура молекулы гемоглобина, которая содержит десятки тысяч атомов.

Из других применений рентгеновских лучей стоит отметить и дефектоскопию — метод, применяемый для обнаружения дефектов в стальных отливках, кованых деталях машин, при исследовании качества сварки и сварных швов, при поиске расслоений в прокатной продукции и даже при проверке качества, свежести и повреждений плодов и овощей.

Но все же, основное место применение этих лучей — это медицина. Практически через год после открытия, рентгеновские лучи стали использоваться для диагностики переломов. Но, как оказалось, возможности лучей оказались значительно шире. Была даже образована новая область в медицине — рентгенология. Современная медицинская техника с помощью рентгеновского излучения исследует любые внутренние органы. При этом изображение можно видеть не только на фотопленке, но и на экране монитора. Помимо этого, рентгеновские лучи можно применять не только в диагностических исследованиях, но и в лечении некоторых онкологических заболеваний.

Однако в рентгеновском излучении присутствует и негативный характер. Так, при неправильном использовании оно становится опасным для здоровья, вызывая тяжелые лучевые ожоги. Но ни сам Рентген, ни его современники не знали об этом негативном факторе лучей и работали без применения каких-либо мер предосторожности. Вследствие чего, многие физики, работавшие в то время с рентгеновскими лучами, получили тяжелые лучевые ожоги. И лишь годы спустя были определены безопасные дозы облучения и созданы различные средства защиты.

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Ульришем Виллардом в 1900 году, при исследовании излучения радиоактивного элемента радия.

Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10^–10 м. При таких маленьких длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Таким образом, гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов — со слабо выраженными волновыми свойствами.

Источником данного вида излучения может являться и переход между возбужденными состояниями атомных ядер, ядерные реакции, отклонение заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Источниками гамма-излучения также являются и процессы, происходящие в космическом пространстве. Например, космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.

Данный вид излучения обладает громадной проникающей способностью.

Гамма-лучи используют в технике, например, при дефектоскопии, радиационной химии, для инициирования различных химических превращений. Не обошло стороной гамма-излучение и сельское хозяйство, и пищевую промышленность, где используется для мутации и генерации хозяйственно-полезных форм, а также стерилизации продуктов. А использование данного вида излучения в медицине основано на том, что оно способно убивать различные виды болезнетворных бактерий и раковые клетки в организме людей.

Основные выводы:

– Рентгеновское излучение — это излучение, возникающее при взаимодействии быстрых электронов с атомами твердых тел, и обусловлено переходами электронов на внутренних оболочках атомов.

– Рентгеновское излучение получают с помощью специальных рентгеновских трубок — электровакуумных приборов, предназначенных для генерации рентгеновского излучения.

– Гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов — со слабо выраженными волновыми свойствами и обладающие огромной проникающей способностью. Оно возникает в результате процессов, происходящих в атомных ядрах, и сопровождает ядерные реакции.