Реферат: Рентгеновское излучение

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯУКРАИНЫ

ЛУГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙУНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биофизики, мед.кибернетики и медицинской аппаратуры

Реферат на тему:

«Рентгеновское излучение»

Исполнитель: студентка  I курса 28 группы стоматологическогофакультета Хуртин И.С. (Telz)

Руководитель: Деркач Л.С.

ЛУГАНСК 2002

ПЛАН

Введение. 3

Получение рентгеновскогоизлучения. 4

Обнаружение рентгеновскогоизлучения. 6

Рентгеновская игамма-дефектоскопия. 7

Дифракция рентгеновскогоизлучения. 7

Методы дифракционного анализа. 11

Спектрохимическийрентгеновский анализ. 13

Медицинская рентгенодиагностика. 15

Биологическое действиерентгеновского излучения. 15

Опасные факторы рентгеновскогоизлучения. 16

Заключение. 18

Список использованных источников. 19

Введение

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способноепроникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собойэлектромагнитное излучение с длиной волны порядка 10–8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызываетпочернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины,промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект ипадая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней еговнутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновскогоизлучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него частиобъекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которыеизлучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны длярентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренниеорганы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки иболее прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легкообнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии дляобнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности дляобнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализасоединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучокрентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызываетхарактерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяетхимику установить состав соединения. При падении на кристаллическое веществопучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкуюправильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установитьвнутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении ракаосновано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказатьнежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использованиирентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физикомВ.Рентгеном (1845–1923). Его имя увековечено и в некоторых других физическихтерминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международнаяединица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновскомаппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, вкоторой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний,называется рентгенологией.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физикиВюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потокамиэлектронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумнойтрубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится,хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, чтопроникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвалХ-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил такжеизображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой скатодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытиемРентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших многоновых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внеслиМ.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракциюрентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, которыйв 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом;Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомнымномером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию заразработку основ рентгеноструктурного анализа.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает привзаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когдаэлектроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют своюкинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшаядоля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Этаэнергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которыеобладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоныразличаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. Приобычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазондлин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярковыраженные компоненты, как это показано на рис. 1.

/>

Рис. 1. ОБЫЧНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТР состоит изнепрерывного спектра (континуума) и характеристических линий (острые пики).Линии К\ia и К\ib возникают вследствие взаимодействий ускоренных электронов сэлектронами внутренней К-оболочки.

Широкий «континуум» называют непрерывным спектромили белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называютсяхарактеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр естьрезультат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения егоширокой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждыйиз которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждыйэлектрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретныйуровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначаютсимволами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когданалетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется содним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с егооболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которойсоответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испускаярентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значенияэнергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром.Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значениякоторых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- иM-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удаленэлектрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомнымномером называется законом Мозли (рис. 2).

/>

Рис. 2. ДЛИНА ВОЛНЫХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, испускаемого химическимиэлементами, зависит от атомного номера элемента. Кривая соответствует законуМозли: чем больше атомный номер элемента, тем меньше длина волныхарактеристической линии.

Если электрон наталкивается на относительно тяжелоеядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в видерентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра,то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимсяна его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона скакой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя границакоторого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизмобразования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длинаволны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющемунапряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральныелинии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектропределяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материаламишени.

Рентгеновское излучение можно получать не толькоэлектронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучениемот другого источника. В этом случае, однако, б/>льшая часть энергии падающегопучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доляприходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновскогоизлучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбужденияхарактеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии,приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждениярентгеновского излучения удобным для научных исследований.

Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновскоеизлучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источникэлектронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способнуювыдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужнойинтенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновскойтрубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубкамитипа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

В газоразрядных трубках содержится небольшоеколичество газа, и когда на электроды трубки подается большая разностьпотенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы.Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него,выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду(аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработаннойКулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод,нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростейвысокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом.Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходимочень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим такжеснижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные еюпобочные токи.

/>

Рис. 3.РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА КУЛИДЖА. При бомбардировке электронами вольфрамовойантикатод испускает характеристическое рентгеновское излучение. Поперечноесечение рентгеновского пучка меньше реально облучаемой площади. 1 – электронныйпучок; 2 – катод с фокусирующим электродом; 3 – стеклянная оболочка (трубка); 4– вольфрамовая мишень (антикатод); 5 – нить накала катода; 6 – реальнооблучаемая площадь; 7 – эффективное фокальное пятно; 8 – медный анод; 9 – окно;10 – рассеянное рентгеновское излучение.

Электроны фокусируются на аноде с помощью электродаособой формы, окружающего катод. Этот электрод называется фокусирующим и вместес катодом образует «электронный прожектор» трубки. Подвергаемый электроннойбомбардировке анод должен быть изготовлен из тугоплавкого материала, посколькубульшая часть кинетической энергии бомбардирующих электронов превращается втепло. Кроме того, желательно, чтобы анод был из материала с большим атомнымномером, т.к. выход рентгеновского излучения растет с увеличением атомногономера. В качестве материала анода чаще всего выбирается вольфрам, атомныйномер которого равен 74.

Конструкция рентгеновских трубок может быть разнойв зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

Обнаружение рентгеновского излучения

Все методы обнаружения рентгеновского излученияоснованы на их взаимодействии с веществом. Детекторы могут быть двух видов: те,которые дают изображение, и те, которые его не дают. К первым относятсяустройства рентгеновской флюорографии и рентгеноскопии, в которых пучокрентгеновского излучения проходит через исследуемый объект, а прошедшее излучениепопадает на люминесцентный экран или фотопленку. Изображение возникаетблагодаря тому, что разные части исследуемого объекта поглощают излучениепо-разному – в зависимости от толщины вещества и его состава. В детекторах слюминесцентным экраном энергия рентгеновского излучения превращается внепосредственно наблюдаемое изображение, а в рентгенографии оно регистрируетсяна чувствительной эмульсии и его можно наблюдать лишь после проявления пленки.

Ко второму типу детекторов относятся самыеразнообразные устройства, в которых энергия рентгеновского излученияпреобразуется в электрические сигналы, характеризующие относительнуюинтенсивность излучения. Сюда входят ионизационные камеры, счетчик Гейгера,пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик и некоторые специальныедетекторы на основе сульфида и селенида кадмия. В настоящее время наиболееэффективными детекторами можно считать сцинтилляционные счетчики, хорошоработающие в широком диапазоне энергий.

Детектор выбирается с учетом условий задачи. Например,если нужно точно измерить интенсивность дифрагированного рентгеновскогоизлучения, то применяются счетчики, позволяющие произвести измерения сточностью до долей процента. Если же нужно зарегистрировать очень многодифрагированных пучков, то целесообразно пользоваться рентгеновской пленкой,хотя в этом случае определить интенсивность с той же точностью невозможно.

Рентгеновская и гамма-дефектоскопия

Одно из наиболее распространенных примененийрентгеновского излучения в промышленности – контроль качества материалов идефектоскопия. Рентгеновский метод является неразрушающим, так что проверяемыйматериал, если он найден удовлетворяющим необходимым требованиям, может затемиспользоваться по назначению.

И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны напроникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощенияв материалах. Проникающая способность определяется энергией рентгеновскихфотонов, которая зависит от ускоряющего напряжения в рентгеновской трубке.Поэтому толстые образцы и образцы из тяжелых металлов, таких, например, какзолото и уран, требуют для их исследования рентгеновского источника с болеевысоким напряжением, а для тонких образцов достаточно источника и с болеенизким напряжением. Для гамма-дефектоскопии очень крупных отливок и крупногопроката применяются бетатроны и линейные ускорители, ускоряющие частицы доэнергий 25 МэВ и более.

Поглощение рентгеновского излучения в материалезависит от толщины поглотителя d и коэффициента поглощения m и определяетсяформулой I = I0e-md, где I – интенсивность излучения, прошедшего черезпоглотитель, I0 – интенсивность падающего излучения, а e = 2,718 – основаниенатуральных логарифмов.

Для данного материала при данной длине волны (илиэнергии) рентгеновского излучения коэффициент поглощения является константой.Но излучение рентгеновского источника не является монохроматичным, а содержитширокий спектр длин волн, вследствие чего поглощение при одной и той же толщинепоглотителя зависит от длины волны (частоты) излучения.

Рентгеновское излучение широко применяется во всехотраслях промышленности, связанных с обработкой металлов давлением. Оно такжеприменяется для контроля артиллерийских стволов, пищевых продуктов, пластмасс,для проверки сложных устройств и систем в электронной технике. (Для аналогичныхцелей применяется и нейтронография, в которой вместо рентгеновского излученияиспользуются нейтронные пучки.) Рентгеновское излучение применяется и длядругих задач, например, для исследования полотен живописи с целью установленияих подлинности или для обнаружения добавочных слоев краски поверх основногослоя.

Дифракция рентгеновского излучения

Дифракция рентгеновского излучения дает важнуюинформацию о твердых телах – их атомной структуре и форме кристаллов, а также ожидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяетсятакже для точного (с погрешностью менее 10–5) определения межатомныхрасстояний, выявления напряжений и дефектов и для определения ориентациимонокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестныематериалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить их.Значение рентгеновского дифракционного метода для прогресса современной физикитрудно переоценить, поскольку современное понимание свойств материи основано вконечном счете на данных о расположении атомов в различных химическихсоединениях, о характере связей между ними и о дефектах структуры. Главныминструментом получения этой информации является дифракционный рентгеновскийметод. Рентгеновская дифракционная кристаллография крайне важна для определенияструктур сложных больших молекул, таких, как молекулы дезоксирибонуклеиновойкислоты (ДНК) – генетического материала живых организмов.

Сразу после открытия рентгеновского излучениянаучный и медицинский интерес был сконцентрирован как на способности этогоизлучения проникать сквозь тела, так и на его природе. Эксперименты подифракции рентгеновского излучения на щелях и дифракционных решетках показывали,что оно относится к электромагнитному излучению и имеет длину волны порядка10–8–10–9 см. Еще раньше ученые, в частности У.Барлоу, догадывались, чтоправильная и симметричная форма естественных кристаллов обусловленаупорядоченным размещением атомов, образующих кристалл. В некоторых случаяхБарлоу удалось правильно предсказать структуру кристалла. Величинапредсказываемых межатомных расстояний составляла 10–8 см. То, что межатомныерасстояния оказались порядка длины волны рентгеновского излучения, в принципепозволяло наблюдать их дифракцию. В результате возник замысел одного из самыхважных экспериментов в истории физики. М.Лауэ организовал экспериментальнуюпроверку этой идеи, которую провели его коллеги В.Фридрих и П.Книппинг. В 1912они втроем опубликовали свою работу о результатах дифракции рентгеновскогоизлучения.

Принципы дифракции рентгеновского излучения. Чтобыпонять явление дифракции рентгеновского излучения, нужно рассмотреть попорядку: во-первых, спектр рентгеновского излучения, во-вторых, природукристаллической структуры и, в-третьих, само явление дифракции.

Как уже говорилось выше, характеристическоерентгеновское излучение состоит из серий спектральных линий высокой степенимонохроматичности, определяемых материалом анода. С помощью фильтров можновыделить наиболее интенсивные из них. Поэтому, выбрав соответствующим образомматериал анода, можно получить источник почти монохроматического излучения сочень точно определенным значением длины волны. Длины волн характеристическогоизлучения обычно лежат в диапазоне от 2,285 />для хрома до 0,558 /> для серебра (значениядля различных элементов известны с точностью до шести значащих цифр).Характеристический спектр накладывается на непрерывный «белый» спектрзначительно меньшей интенсивности, обусловленный торможением в аноде падающихэлектронов. Таким образом, от каждого анода можно получить два типа излучения:характеристическое и тормозное, каждое из которых играет по-своему важную роль.

Атомы в кристаллической структуре располагаются справильной периодичностью, образуя последовательность одинаковых ячеек –пространственную решетку. Некоторые решетки (например, для большинства обычныхметаллов) довольно просты, а другие (например, для молекул белков) весьмасложны.

Для кристаллической структуры характерно следующее:если от некоторой заданной точки одной ячейки сместиться к соответствующейточке соседней ячейки, то обнаружится точно такое же атомное окружение. И еслинекоторый атом расположен в той или иной точке одной ячейки, то в эквивалентнойей точке любой соседней ячейки будет находиться такой же атом. Этот принципстрого справедлив для совершенного, идеально упорядоченного кристалла. Однакомногие кристаллы (например, металлические твердые растворы) являются в той илииной степени неупорядоченными, т.е. кристаллографически эквивалентные местамогут быть заняты разными атомами. В этих случаях определяется не положениекаждого атома, а лишь положение атома, «статистически усредненного» по большомуколичеству частиц (или ячеек).

Если волны (например, звук, свет, рентгеновскоеизлучение) проходят через небольшую щель или отверстие, то последние могутрассматриваться как вторичный источник волн, а изображение щели или отверстиясостоит из чередующихся светлых и темных полос. Далее, если имеетсяпериодическая структура из отверстий или щелей, то в результате усиливающей иослабляющей интерференции лучей, идущих от разных отверстий, возникает четкаядифракционная картина. Дифракция рентгеновского излучения – это коллективноеявление рассеяния, при котором роль отверстий и центров рассеяния играютпериодически расположенные атомы кристаллической структуры. Взаимное усилениеих изображений при определенных углах дает дифракционную картину, аналогичнуютой, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционнойрешетке.

Рассеяние происходит благодаря взаимодействиюпадающего рентгеновского излучения с электронами в кристалле. Вследствие того,что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома,длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этотпроцесс является результатом вынужденных колебаний электронов под действиемпадающего рентгеновского излучения.

Рассмотрим теперь атом с облаком связанныхэлектронов (окружающих ядро), на который падает рентгеновское излучение.Электроны во всех направлениях одновременно рассеивают падающее и испускаютсобственное рентгеновское излучение той же длины волны, хотя и разнойинтенсивности. Интенсивность рассеянного излучения связана с атомным номеромэлемента, т.к. атомный номер равен числу орбитальных электронов, которые могутучаствовать в рассеянии. (Эта зависимость интенсивности от атомного номерарассеивающего элемента и от направления, в котором измеряется интенсивность,характеризуется атомным фактором рассеяния, который играет чрезвычайно важнуюроль в анализе структуры кристаллов.)

Выберем в кристаллической структуре линейнуюцепочку атомов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, ирассмотрим их дифракционную картину. Уже отмечалось, что рентгеновский спектрскладывается из непрерывной части («континуума») и набора более интенсивныхлиний, характеристических для того элемента, который является материалом анода.Допустим, мы отфильтровали непрерывный спектр и получили почтимонохроматический пучок рентгеновского излучения, направленный на нашу линейнуюцепочку атомов. Условие усиления (усиливающей интерференции) выполняется, еслиразность хода волн, рассеянных соседними атомами, кратне длины волны. Еслипучок падает под углом a0 к линии атомов, разделенных интервалами a (период),то для угла дифракции a разность хода, соответствующая усилению, запишется ввиде

a(cos a – cosa0) = hl,

где l – длина волны, а h – целое число (рис. 4 и5).

/>

Рис. 4. УСИЛЕНИЕРЕНТГЕНОВСКОГО ПУЧКА происходит, когда разность хода волн, рассеянных соседнимиатомами, равна целому кратному длины волны. Здесь a0 – угол падения, a – уголдифракции, a – расстояние между атомами.

/>

Рис. 5. РЕШЕНИЕУРАВНЕНИЙ ЛАУЭ при каждом значении h можно представить в виде семействаконусов, общая ось которых направлена по кристаллографической оси (для двухдругих осей можно нарисовать сходные картины). На уравнениях Лауэ основанэффективный метод исследования кристаллических структур.

Чтобы распространить этот подход на трехмерныйкристалл, необходимо лишь выбрать ряды атомов по двум другим направлениям вкристалле и решить совместно полученные таким образом три уравнения для трехкристаллических осей с периодами a, b и c. Два других уравнения имеют вид

/>

Это – три фундаментальных уравнения Лауэ длядифракции рентгеновского излучения, причем числа h, k и c – индексы Миллера дляплоскости дифракции.

Рассматривая любое из уравнений Лауэ, напримерпервое, можно заметить, что, поскольку a, a0, l – константы, а h = 0, 1,2, ..., его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a(рис. 5). То же самое верно для направлений b и c.

В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция)три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса,расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересеченияпоказана на рис. 6. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга –Вульфа:

/>

Рис. 6. ОБЩЕЕРЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ЛАУЭ соответствует пересечению трех конусов с осями a, b, c,имеющих общую прямую R.

l = 2(d/n)sinq,

где d – расстояние между плоскостями с индексами h,k и c (период), n = 1, 2, … – целые числа (порядок дифракции), а q –угол, образуемый падающим пучком (а также и дифрагирующим) с плоскостьюкристалла, в которой происходит дифракция.

Анализируя уравнение закона Брэгга – Вульфа длямонокристалла, расположенного на пути монохроматического пучка рентгеновскогоизлучения, можно заключить, что дифракцию непросто наблюдать, т.к. величины l иq фиксированы, а sinq < 1. При таких условиях, чтобы имела место дифракциядля рентгеновского излучения с длиной волны l, плоскость кристалла с периодом dдолжна быть повернута на правильный угол q. Для того чтобы реализовать этомаловероятное событие, применяются различные методики.

Методы дифракционного анализа

Метод Лауэ. В методе Лауэ применяется непрерывный«белый» спектр рентгеновского излучения, которое направляется на неподвижныймонокристалл. Для конкретного значения периода d из всего спектра автоматическивыбирается соответствующее условию Брэгга – Вульфа значение длины волны.Получаемые таким образом лауэграммы дают возможность судить о направленияхдифрагированных пучков и, следовательно, об ориентациях плоскостей кристалла,что позволяет также сделать важные выводы относительно симметрии, ориентациикристалла и наличия в нем дефектов. При этом, однако, утрачивается информация опространственном периоде d. На рис. 7 приводится пример лауэграммы.Рентгеновская пленка располагалась со стороны кристалла, противоположной той,на которую падал рентгеновский пучок из источника.

/>

Рис. 7. ЛАУЭГРАММА.Через неподвижный кристалл пропускается рентгеновское излучение широкогоспектрального диапазона. Дифракционным пучкам соответствуют пятна налауэграмме.

Метод Дебая – Шеррера (для поликристаллическихобразцов). В отличие от предыдущего метода, здесь используетсямонохроматическое излучение (l = const), а варьируется угол q. Это достигаетсяиспользованием поликристаллического образца, состоящего из многочисленныхмелких кристаллитов случайной ориентации, среди которых имеются иудовлетворяющие условию Брэгга – Вульфа. Дифрагированные пучки образуют конусы,ось которых направлена вдоль пучка рентгеновского излучения. Для съемки обычноиспользуется узкая полоска рентгеновской пленки в цилиндрической кассете, арентгеновские лучи распространяются по диаметру через отверстия в пленке.Полученная таким образом дебаеграмма (рис. 8) содержит точную информацию опериоде d, т.е. о структуре кристалла, но не дает информации, которую содержитлауэграмма. Поэтому оба метода взаимно дополняют друг друга. Рассмотрим некоторыеприменения метода Дебая – Шеррера.

/>

Рис. 8. ДЕБАЕГРАММАполучается путем пропускания рентгеновского излучения через поликристаллическийобразец. Каждая линия обусловлена дифракцией рентгеновского излучения на однойконкретной плоскости атомов образца.

Идентификация химических элементов и соединений. Поопределенному из дебаеграммы углу q можно вычислить характерное для данногоэлемента или соединения межплоскостное расстояние d. В настоящее времясоставлено множество таблиц значений d, позволяющих идентифицировать не толькотот или иной химический элемент или соединение, но и различные фазовыесостояния одного и того же вещества, что не всегда дает химический анализ.Можно также в сплавах замещения с высокой точностью определять содержаниевторого компонента по зависимости периода d от концентрации.

Анализ напряжений. По измеренной разницемежплоскостных расстояний для разных направлений в кристаллах можно, знаямодуль упругости материала, с высокой точностью вычислять малые напряжения внем.

Исследования преимущественной ориентации вкристаллах. Если малые кристаллиты в поликристаллическом образце ориентированыне совсем случайным образом, то кольца на дебаеграмме будут иметь разнуюинтенсивность. При наличии резко выраженной преимущественной ориентациимаксимумы интенсивности концентрируются в отдельных пятнах на снимке, которыйстановится похож на снимок для монокристалла. Например, при глубокой холоднойпрокатке металлический лист приобретает текстуру – выраженную ориентациюкристаллитов. По дебаеграмме можно судить о характере холодной обработкиматериала.

Исследование размеров зерен. Если размерзерен поликристалла более 10–3 см, то линии на дебаеграмме будут состоять изотдельных пятен, поскольку в этом случае число кристаллитов недостаточно длятого, чтобы перекрыть весь диапазон значений углов q. Если же размеркристаллитов менее 10–5 см, то дифракционные линии становятся шире. Их ширинаобратно пропорциональна размеру кристаллитов. Уширение происходит по той жепричине, по которой при уменьшении числа щелей уменьшается разрешающаяспособность дифракционной решетки. Рентгеновское излучение позволяет определятьразмеры зерен в диапазоне 10–7–10–6 см.

Методы для монокристаллов. Чтобы дифракция накристалле давала информацию не только о пространственном периоде, но и обориентации каждой совокупности дифрагирующих плоскостей, используются методывращающегося монокристалла. На кристалл падает монохроматический пучокрентгеновского излучения. Кристалл вращается вокруг главной оси, для которойвыполняются уравнения Лауэ. При этом изменяется угол q, входящий в формулуБрэгга – Вульфа. Дифракционные максимумы располагаются в месте пересечениядифракционных конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью пленки (рис. 9). Врезультате получается дифракционная картина типа представленной на рис. 10.Однако возможны осложнения из-за перекрытия разных дифракционных порядков водной точке. Метод может быть значительно усовершенствован, если одновременно свращением кристалла перемещать определенным образом и пленку.

/>

Рис. 9. МЕТОДВРАЩАЮЩЕГОСЯ МОНОКРИСТАЛЛА дает дифракционные максимумы (пятна) различныхпорядков вдоль линии, соответствующей данному атомному слою. Максимумывозникают на пересечении конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью фотопленки.

/>

Рис. 10. СНИМОК,ПОЛУЧЕННЫЙ МЕТОДОМ КАЧАЮЩЕГОСЯ КРИСТАЛЛА (монокристалла теллура). Видны линиислоев для нулевого порядка (средняя горизонтальная линия) и высших порядков(+1, +2, +3 – от линии нулевого порядка вверх; -1, -2, -3 – вниз).

Исследования жидкостей и газов. Известно, чтожидкости, газы и аморфные тела не обладают правильной кристаллическойструктурой. Но и здесь между атомами в молекулах существует химическая связь,благодаря которой расстояние между ними остается почти постоянным, хотя самимолекулы в пространстве ориентированы случайным образом. Такие материалы тожедают дифракционную картину с относительно небольшим числом размытых максимумов.Обработка такой картины современными методами позволяет получить информацию оструктуре даже таких некристаллических материалов.

Спектрохимический рентгеновский анализ

Уже через несколько лет после открытиярентгеновских лучей Ч.Баркла (1877–1944) обнаружил, что при воздействии потокарентгеновского излучения высокой энергии на вещество возникает вторичноефлуоресцентное рентгеновское излучение, характеристическое для исследуемогоэлемента. Вскоре после этого Г.Мозли в серии своих экспериментов измерил длиныволн первичного характеристического рентгеновского излучения, полученногоэлектронной бомбардировкой различных элементов, и вывел соотношение междудлиной волны и атомным номером. Эти эксперименты, а также изобретение Брэггомрентгеновского спектрометра заложили основу для спектрохимическогорентгеновского анализа.

Возможности рентгеновского излучения дляхимического анализа были сразу осознаны. Были созданы спектрографы срегистрацией на фотопластинке, в которых исследуемый образец выполнял рольанода рентгеновской трубки. К сожалению, такая техника оказалась оченьтрудоемкой, а потому применялась лишь тогда, когда были неприменимы обычныеметоды химического анализа. Выдающимся примером новаторских исследований вобласти аналитической рентгеноспектроскопии стало открытие в 1923 Г.Хевеши иД.Костером нового элемента – гафния. Разработка мощных рентгеновских трубок длярентгенографии и чувствительных детекторов для радиохимических измерений вовремя Второй мировой войны в значительной степени обусловила быстрый рострентгеновской спектрографии в последующие годы.

Этот метод получил широкое распространениеблагодаря быстроте, удобству, неразрушающему характеру анализа и возможностиполной или частичной автоматизации. Он применим в задачах количественного икачественного анализа всех элементов с атомным номером более 11 (натрий). Ихотя рентгеновский спектрохимический анализ обычно используется для определенияважнейших компонентов в образце (с содержанием 0,1–100%), в некоторых случаяхон пригоден для концентраций 0,005% и даже ниже.

Рентгеновский спектрометр. Современный рентгеновскийспектрометр состоит из трех основных систем (рис. 11): системы возбуждения,т.е. рентгеновской трубки с анодом из вольфрама или другого тугоплавкогоматериала и блоком питания; системы анализа, т.е. кристалла-анализатора с двумямногощелевыми коллиматорами, а также спектрогониометра для точной юстировки; исистемы регистрации со счетчиком Гейгера либо пропорциональным илисцинтилляционным счетчиком, а также выпрямителем, усилителем, пересчетнымиустройствами и самописцем или другим регистрирующим устройством.

/>

Рис. 11. РЕНТГЕНОВСКИЙСПЕКТРОМЕТР (блок-схема) с кристаллом-анализатором. Основные блоки прибора: блок возбуждения образца (с рентгеновскойтрубкой), блок анализа с плоским кристаллом-анализатором и коллиматорами и блокрегистрации с электронным детектором.

Рентгеновский флуоресцентный анализ. Анализируемыйобразец располагается на пути возбуждающего рентгеновского излучения.Исследуемая область образца обычно выделяется маской с отверстием нужногодиаметра, а излучение проходит через коллиматор, формирующий параллельныйпучок. За кристаллом-анализатором щелевой коллиматор выделяет дифрагированноеизлучение для детектора. Обычно максимальный угол q ограничиваетсязначениями 80–85°, так что дифрагировать на кристалле-анализаторе может толькото рентгеновское излучение, длина волны l которого связана смежплоскостным расстоянием d неравенством l < 1,95d.Максимальной же разрешающей способности можно добиться, уменьшая величину d.Наилучшие результаты получены с кристаллами-анализаторами из топаза, фторидалития, хлорида натрия, кварца и др. Кроме того, в спектрометрах с изогнутымикристаллами, о которых говорится ниже, иногда используются кристаллы слюды игипса.

Рентгеновский микроанализ. Описанный вышеспектрометр с плоским кристаллом-анализатором может быть приспособлен длямикроанализа. Это достигается сужением либо первичного пучка рентгеновскогоизлучения, либо вторичного пучка, испускаемого образцом. Однако уменьшениеэффективного размера образца или апертуры излучения приводит к уменьшениюинтенсивности регистрируемого дифрагированного излучения. Улучшение этогометода может быть достигнуто применением спектрометра с изогнутым кристаллом,позволяющего регистрировать конус расходящегося излучения, а не толькоизлучение, параллельное оси коллиматора. При помощи такого спектрометра можноидентифицировать частицы размером менее 25 мкм. Еще большее уменьшение размераанализируемого образца достигается в электронно-зондовом рентгеновскоммикроанализаторе, изобретенном Р.Кастэном. Здесь остросфокусированнымэлектронным лучом возбуждается характеристическое рентгеновское излучениеобразца, которое затем анализируется спектрометром с изогнутым кристаллом. Спомощью такого прибора удается обнаруживать количества вещества порядка 10–14г в образце диаметром 1 мкм. Были также разработаны установки сэлектроннолучевым сканированием образца, с помощью которых можно получитьдвумерную картину распределения по образцу того элемента, на характеристическоеизлучение которого настроен спектрометр.

Медицинская рентгенодиагностика

Развитие техники рентгеновских исследований позволилозначительно сократить время экспозиции и улучшить качество изображений,позволяющих изучать даже мягкие ткани.

Флюорография. Этот метод диагностики заключается вфотографировании теневого изображения с просвечивающего экрана. Пациентнаходится между источником рентгеновского излучения и плоским экраном излюминофора (обычно иодида цезия), который под действием рентгеновскогоизлучения светится. Биологические ткани той или иной степени плотности создаюттени рентгеновского излучения, имеющие разную степень интенсивности.Врач-рентгенолог исследует теневое изображение на люминесцентном экране иставит диагноз.

В прошлом рентгенолог, анализируя изображение, полагался назрение. Сейчас имеются разнообразные системы, усиливающие изображение,выводящие его на телевизионный экран или записывающие данные в памятикомпьютера.

Рентгенография. Запись рентгеновского изображения непосредственно нафотопленке называется рентгенографией. В этом случае исследуемый органрасполагается между источником рентгеновского излучения и фотопленкой, котораяфиксирует информацию о состоянии органа в данный момент времени. Повторнаярентгенография дает возможность судить о его дальнейшей эволюции.

Рентгенография позволяет весьматочно исследовать целостность костных тканей, которые состоят в основном изкальция и непрозрачны для рентгеновского излучения, а также разрывы мышечныхтканей. С ее помощью лучше, чем стетоскопом или прослушиванием, анализируетсясостояние легких при воспалении, туберкулезе или наличии жидкости. При помощирентгенографии определяются размер и форма сердца, а также динамика егоизменений у пациентов, страдающих сердечными заболеваниями.

Контрастные вещества. Прозрачные для рентгеновского излучения части тела иполости отдельных органов становятся видимыми, если их заполнить контрастнымвеществом, безвредным для организма, но позволяющим визуализировать формувнутренних органов и проверить их функционирование. Контрастные веществапациент либо принимает внутрь (как, например, бариевые соли при исследованиижелудочно-кишечного тракта), либо они вводятся внутривенно (как, например,иодсодержащие растворы при исследовании почек и мочевыводящих путей). В последниегоды, однако, эти методы вытесняются методами диагностики, основанными наприменении радиоактивных атомов и ультразвука.

Компьютерная томография. В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновскойдиагностики, основанный на полной съемке тела или его частей. Изображениятонких слоев («срезов») обрабатываются компьютером, и окончательное изображениевыводится на экран монитора. Такой метод называется компьютерной рентгеновскойтомографией. Он широко применяется в современной медицине для диагностикиинфильтратов, опухолей и других нарушений мозга, а также для диагностикизаболеваний мягких тканей внутри тела. Эта методика не требует введенияинородных контрастных веществ и потому является быстрой и более эффективной,чем традиционные методики.

Биологическое действие рентгеновского излучения

Вредное биологическое действиерентгеновского излучения обнаружилось вскоре после его открытия Рентгеном.Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечногоожога (эритему), сопровождающееся, однако, более глубоким и стойкимповреждением кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многихслучаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались и летальные исходы.

Было установлено, что поражениякожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку(например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенновыявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского облучения,которые были затем подтверждены и изучены на подопытных животных. К эффектам,обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующихизлучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами)относятся: 1) временные изменения в составе крови после относительно небольшогоизбыточного облучения; 2) необратимые изменения в составе крови (гемолитическаяанемия) после длительного избыточного облучения; 3) рост заболеваемости раком(включая лейкемию); 4) более быстрое старение и ранняя смерть; 5) возникновениекатаракт. Ко всему прочему, биологические эксперименты на мышах, кроликах имушках (дрозофилах) показали, что даже малые дозы систематического облучениябольших популяций вследствие увеличения темпа мутации приводят к вреднымгенетическим эффектам. Большинство генетиков признает применимость этих данныхи к человеческому организму. Что же касается биологического воздействиярентгеновского излучения на человеческий организм, то оно определяется уровнемдозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению.Так, например, заболевания крови вызываются облучением кроветворных органов,главным образом костного мозга, а генетические последствия – облучением половыхорганов, могущим привести также и к стерильности.

Накопление знаний о воздействиирентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальныхи международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных вразличных справочных изданиях.

Кроме рентгеновского излучения,которое целенаправленно используется человеком, имеется и так называемоерассеянное, побочное излучение, возникающее по разным причинам, напримервследствие рассеяния из-за несовершенства свинцового защитного экрана, которыйэто излучение не поглощает полностью. Кроме того, многие электрические приборы,не предназначенные для получения рентгеновского излучения, тем не менеегенерируют его как побочный продукт. К таким приборам относятся электронныемикроскопы, высоковольтные выпрямительные лампы (кенотроны), а также кинескопыустаревших цветных телевизоров. Производство современных цветных кинескопов вомногих странах находится сейчас под правительственным контролем.

Опасные факторы рентгеновского излучения

Виды и степень опасностирентгеновского облучения для людей зависят от контингента лиц, подверженныхоблучению.

Профессионалы, работающие срентгеновской аппаратурой. Эта категорияохватывает врачей-рентгенологов, стоматологов, а также научно-техническихработников и персонал, обслуживающий и использующий рентгеновскую аппаратуру.Принимаются эффективные меры по снижению уровня радиации, с которым имприходится иметь дело.

Пациенты. Строгих критериев здесь не существует, и безопасный уровеньоблучения, который получают пациенты во время лечения, определяется лечащимиврачами. Врачам не рекомендуется без необходимости подвергать пациентоврентгеновскому обследованию. Особую осторожность следует проявлять приобследовании беременных женщин и детей. В этом случае принимаются специальныемеры.

Методы контроля. Здесь имеются в виду три аспекта: 1) наличие адекватногооборудования, 2) контроль за соблюдением правил техники безопасности, 3)правильное использование оборудования.

При рентгеновском обследованиивоздействию облучения должен подвергаться только нужный участок, будь тостоматологические обследования или обследование легких. Заметим, что сразупосле выключения рентгеновского аппарата исчезает как первичное, так ивторичное излучение; отсутствует также и какое-либо остаточное излучение, о чемне всегда знают даже те, кто по своей работе с ним непосредственно связан.

Заключение

Таким образом, рентгеновские лучи представляют собойневидимое электромагнитное излучение с длиной волны 105 – 102нм. Рентгеновские лучи могут проникать через некоторые непрозрачные длявидимого света материалы. Испускаются они при торможении быстрых электронов ввеществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов с внешних электронныхоболочек атома на внутренние (линейчастый спектр). Источниками рентгеновскогоизлучения являются: рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы,ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение). Приемники –фотопленка, люминисцентные экраны, детекторы ядерных излучений. Рентгеновскиелучи применяют в рентгеноструктурном анализе, медицине, дефектоскопии,рентгеновском спектральном анализе и т. п.

Списокиспользованных источников

1. Кудрявцев П.С. История физики. – М., 1956.

2. Кудрявцев П.С.  Курс физики – М.: Просвещение, 1974.

3. Рукман Г.И., Клименко И.С. Электронная микроскопия. – М.: Знание, 1968.

4.  СавельевИ.В. Курс физики. – М.: Наука, 1989.

5. Храмов Ю. А. Физика. – М.: Наука, 1983.

6. http://www.krugosvet.ru/