28 сентябрь 2017
0
Открытие рентгеновских лучей Уникальность данного текста 100.00%
Рентгеновское излучение, электромагнитное излучение чрезвычайно короткой длины волны и высокой частоты, с длиной волны от 10-8 до 10-12 метров и соответствующими частотами от 1016 до 1020 Гц (Гц).

Как произошло открытие рентгеновских лучей? Какова длина волны и природа рентгеновских лучей и как их получают?

Рентгеновские лучи обычно получают путем ускорения (или замедления) заряженных частиц. Примеры включают в себя пучок электронов, ударяющих металлическую пластину в рентгеновскую трубку и циркулирующий пучок электронов в ускорителе синхротронных частиц или накопительном кольце. Кроме того, высоковозбужденные атомы могут излучать рентгеновские лучи с дискретными длинами волн, характерными для расстояний между уровнями энергии в атомах. Рентгеновская область электромагнитного спектра выходит далеко за пределы видимых длин волн. Однако прохождение рентгеновских лучей через материалы, включая биологическую ткань, можно записать фотографическими пленками и другими детекторами. Анализ рентгеновских изображений тела является чрезвычайно ценным медицинским диагностическим инструментом. Современный специализированный интернет-магазин может предложить рентгеновское оборудование для стоматологии в большом ассортименте.

Рентгеновские лучи являются формой ионизирующего излучения - при взаимодействии с веществом они достаточно энергичны, чтобы заставить нейтральные атомы выбрасывать электроны. Благодаря этому процессу ионизации энергия рентгеновского излучения осаждается в материи. При прохождении через живую ткань рентгеновские лучи могут вызывать вредные биохимические изменения в генах, хромосомах и других клеточных компонентах. Биологические эффекты ионизирующего излучения, которые являются сложными и сильно зависят от длины и интенсивности воздействия, все еще находятся в активном исследовании. Рентгенологическая терапия использует эти эффекты для борьбы с ростом злокачественных опухолей.

Рентгеновские снимки были обнаружены в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном при исследовании влияния электронных пучков (затем называемых катодными лучами) на электрические разряды через газы низкого давления. Röntgen обнаружил поразительный эффект, а именно, что экран, покрытый флуоресцентным материалом, размещенным вне разрядной трубки, будет светиться, даже если он экранирован от прямого видимого и ультрафиолетового света газового разряда. Он пришел к выводу, что невидимое излучение трубки проходит по воздуху и заставляет экран флуоресцировать. Рентген смог показать, что излучение, ответственное за флуоресценцию, возникло из того места, где электронный пучок ударил по стеклянной стенке разрядной трубки. Непрозрачные предметы, расположенные между трубой и экраном, оказались прозрачными для новой формы излучения. Рентген резко продемонстрировал это, создав фотографическое изображение костей человеческой руки. Его открытие так называемых рентгеновских лучей было встречено всемирным научным и популярным волнением, а также открытиями радиоактивности (1896 г.) и электроном (1897 г.) он открыл изучение атомного мира и эпохи современной физики.

Характеристики рентгеновских лучей

Каковы свойства рентгеновских лучей? Определяющие характеристики рентгеновских лучей - их способность проникать в оптически непрозрачные материалы, их длины волн атомного размера, высокую энергию отдельных рентгеновских фотонов - приводят к широкому спектру промышленных, медицинских и научных применений. Были разработаны специализированные источники рентгеновского излучения, детекторы и методы анализа для решения ряда вопросов, связанных с изучением взаимодействия простейших молекул с структурой человеческого мозга.
Характеристики рентгеновских лучейРентгеновские снимки тела являются незаменимым диагностическим инструментом в современной медицине. Медицинская визуализация позволяет неинтрузивно обнаруживать зубные полости, переломы костей, посторонние предметы и заболевания, такие как рак. Стандартные рентгеновские снимки легко различают кости и мягкие ткани; дополнительный контраст между различными участками мягких тканей обеспечивается путем инъекции контрастной среды - жидкости или газа, которые сравнительно непрозрачны для рентгеновских лучей, как показано на фотографии. В 1970-х годах был разработан мощный новый метод рентгеновской визуализации, компьютерная томография (КТ). В настоящее время в широкомасштабном использовании КТ-сканы создают подробные изображения поперечного сечения внутренних органов и структур с высоким разрешением; они гораздо более чувствительны к небольшим вариациям плотности, чем обычные рентгеновские изображения.

Как и в случае других форм ионизирующего излучения, рентгеновские лучи вызывают биохимические изменения в живых клетках. Высокоэнергетический рентгеновский фотон выделяет свою энергию, выделяя электроны из атомов и молекул. Эти свободные электроны сами по себе могут ионизировать дополнительные нейтральные виды. В результате этого процесса образуются реакционноспособные ионы и свободные радикалы, что приводит к дальнейшим химическим реакциям. Полученная радиационно-индуцированная химия может разрушить молекулярные связи, необходимые для роста клеток, и может вызвать генетический ущерб. Несмотря на значительные риски для здоровья, связанные с воздействием рентгеновских лучей, лучевая терапия использует вышеупомянутые эффекты для лечения злокачественных опухолей и заболеваний крови, таких как лейкемия. Рентгеновские лучи (и гамма-лучи более высокой энергии) направлены на ткани-мишени; последующее молекулярное повреждение блокирует рост пораженных клеток. Рядом нормальные клетки, также подверженные воздействию ионизирующих рентгеновских лучей, обычно более способны восстанавливаться. В соответствующей области применения в сельскохозяйственных отраслях облучение некоторых продуктов с помощью рентгеновских лучей и гамма-лучей используется для селективного ингибирования роста бактерий.

Рентгеновские лучи являются мощным диагностическим инструментом для выявления структуры и состава материалов. Большая полезность рентгеновских изображений происходит от дифференциального поглощения рентгеновских лучей материалами разной плотности, состава и однородности. В общей заявке рентгеновские лучи используются для быстрого изучения содержимого багажа авиакомпании. В промышленности рентгеновские изображения используются для обнаружения дефектов неразрушающе в отливках, которые недоступны для непосредственного наблюдения. Рентгеновские микроскопы способны увеличивать изображения поглощения рентгеновских лучей, чтобы разрешать характеристики на весах размером около 40 нанометров (нм, миллиарды метров) или примерно 400 атомных диаметров.
Методы рентгеновской дифракцииЭто разрешение, примерно в пять раз превышающее разрешение, достигаемое с помощью наилучших видимых световых микроскопов, возможно из-за небольших дифракционных эффектов, связанных с очень короткими длин волн рентгеновских лучей. Рентгеновские микроскопы обычно работают с «мягкими» рентгеновскими лучами (длины волн в диапазоне от 1 до 10 нм) и полагаются на отражательную оптику или «зонные пластины» для достижения фокусировки. Поскольку вода является относительно прозрачной в области мягкого рентгеновского излучения, эти микроскопы идеально подходят для изучения биологических материалов в водной среде. Другая сложная техника поглощения, называемая EXAFS(расширенная тонкая структура поглощения рентгеновских лучей), способна идентифицировать ближнее упорядочение атомов и молекул в неустойчивых образцах кристаллов и аморфных твердых тел.

Методы рентгеновской дифракции (или «рентгеновской кристаллографии») позволяют определять кристаллические структуры в неорганических, органических и биологических материалах. Детальная атомная структура двухцепочечной полимерной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) была известна Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью рентгеноструктурных исследований Мориса Уилкинса. Рентгеновская флуоресценция является дополнительным методом количественного анализа состава материалов. В этом методе образец подвергается воздействию либо электронного пучка, либо пучка первичных рентгеновских лучей; возникающие в результате атомные возбуждения приводят к выбросам рентгеновских лучей с длиной волны, характерной для элементов в образце. Электронный микрозонд использует этот процесс для идентификации составляющих областей выборки размером всего в несколько микрометров (миллионных долей метра). Методы рентгеновской флуоресценции и дифракции являются ценными методами для неразрушающего анализа предметов искусства. В результате рентгеноструктурного анализа выявлены методы окраски кистью и устройства окрашенных пигментов в масляной живописи, наличие покрытий и лаков, а также составы стекол, фарфора и эмали.

Многие из вышеперечисленных технологий усиливаются исключительно высокими интенсивностями рентгеновского излучения, создаваемыми в современных синхротронных светотехнических установках. Чрезвычайно яркие короткие импульсы рентгеновского излучения, настроенные на выбранные области длин волн, используются для зондирования химических реакций на поверхностях, электронных структурах полупроводников и магнитных материалов, а также структуры и функции белков и биологических макромолекул. Другим перспективным источником рентгеновских лучей высокой интенсивности является рентгеновский лазер. В лаборатории были созданы когерентные рентгеновские лучи (сигнатура генерации) на длинноволновом конце спектральной области. В 2009 году генерация была достигнута на объекте Linac Coherent Light Source в Менло-Парке, штат Калифорния, на длине волны 0,15 нм, но строительство практического устройства на таких коротких длинах волн оставалось сложной технологической задачей.

Производство и обнаружение рентгеновских лучей

Существует три общих механизма для производства рентгеновских лучей: ускорение заряженной частицы, атомные переходы между дискретными энергетическими уровнями и радиоактивный распад некоторых атомных ядер. Каждый механизм приводит к характерному спектру рентгеновского излучения.
Производство рентгеновских лучей

Производство рентгеновских лучей

В теории классического электромагнетизма ускоряющиеся электрические заряды испускают электромагнитные волны. В наиболее распространенном наземном источнике рентгеновских лучей рентгеновская трубка пучок электронов высоких энергий падает на твердую мишень. Поскольку быстро движущиеся электроны в пучке взаимодействуют с электронами и ядрами атомов мишени, они неоднократно отклоняются и замедляются. Во время этого резкого замедления электроны пучка испускают тормозное излучение (немецкий: «тормозное излучение») - непрерывный спектр электромагнитного излучения с пиковой интенсивностью в рентгеновской области. Большая часть энергии, излучаемой в рентгеновской трубке, содержится в этом непрерывном спектре. Более мощные (и гораздо более крупные) источники континуума рентгеновских лучей представляют собой ускорители синхротронных частиц и накопительные кольца. В синхротроне заряженные частицы (обычно электроны или позитроны) ускоряются до очень высоких энергий (обычно миллиардов электрон-вольт), а затем ограничиваются замкнутой орбитой сильными магнитами. Когда заряженные частицы отклоняются магнитными полями (и, следовательно, ускоряются путем изменения их направления движения), они испускают так называемое синхротронное излучение - континуум, интенсивность и частотное распределение которого определяются силой магнитных полей и энергии циркулирующих частиц. Специально разработанные источники синхротронного света используются во всем мире для рентгеновских исследований материалов.

В рентгеновской трубке помимо непрерывного спектра излучения, испускаемого замедляющими электронами, имеется также спектр дискретных линий рентгеновского излучения, характерный для материала мишени. Это «характерное излучение» является результатом возбуждения атомов мишени столкновениями с быстро движущимися электронами. Чаще всего столкновение сначала приводит к выбросу из атома плотно связанного электрона внутренней оболочки; свободно связанный электрон внешней оболочки попадает во внутреннюю оболочку, чтобы заполнить вакансию. При этом одиночный фотон испускается атомом с энергией, равной разности между состояниями внутренней оболочки и внешней оболочки. Эта разность энергий обычно соответствует длинам волн фотонов в рентгеновской области спектра. Характеристическое рентгеновское излучение также может быть получено из материала-мишени, когда оно подвергается воздействию первичного рентгеновского луча. В этом случае первичные рентгеновские фотоны инициируют последовательность электронных переходов, приводящих к испусканию вторичных рентгеновских фотонов.

В 1913 году английский физик Генри Мозли обнаружил простую связь между длинами волн линий рентгеновского излучения от мишени и атомным номером целевого элемента - длины волн обратно пропорциональны квадрату атомного номера. Известный как закон Мозли, эта связь оказалась решающим инструментом в определении атомных чисел в первые дни атомной физики. Методы рентгеновской флуоресценции, в которых длины волн характерных рентгеновских лучей регистрируются после возбуждения мишени, в настоящее время широко используются для идентификации элементарных составляющих материалов.
Рентгеновское излучениеРентгеновское излучение иногда является побочным продуктом ядерного преобразования. В процессе захвата электрона атомный атом внутренней оболочки захватывается атомным ядром, инициируя превращение ядерного протона в нейтрон и понижая атомный номер на единицу. Затем свободная орбита внутренней оболочки быстро заполняется электроном внешней оболочки, создавая характерный рентгеновский фотон. Релаксация возбужденного ядра в состояние с более низкой энергией также иногда приводит к испусканию рентгеновского фотона. Однако фотоны, испускаемые в большинстве ядерных переходов этого типа, имеют еще большую энергию, чем рентгеновские лучи, - они попадают в область гамма-излучения электромагнитного спектра.

За последние 50 лет было обнаружено много астрономических источников рентгеновских лучей, в совокупности они являются богатым ресурсом информации о Вселенной. Рентгеновские лучи испускаются горячей короной Солнца (внешняя атмосфера) и коронами других обычных звезд в Галактике Млечный Путь. Многие бинарные звездные системы излучают обильные рентгеновские лучи, самые сильные из таких источников в одном только рентгеновском диапазоне дают более 1000 раз всю энергию Солнца. Остатки сверхновых также являются сильными источниками рентгеновских лучей, которые иногда связаны с синхротронным излучением, создаваемым заряженными частицами высокой энергии, циркулирующими в сильных магнитных полях, а иногда с атомными выбросами от чрезвычайно горячих газов (в диапазоне 10 миллионов кельвинов). Мощные внегалактические источники рентгеновских лучей, включая активные галактики, квазары и галактические кластеры, в настоящее время подвергаются интенсивному научным исследованиям; в некоторых случаях точные механизмы производства рентгеновских лучей остаются неопределенными или неизвестными. Поскольку атмосфера Земли сильно поглощает рентгеновские лучи, астрономические наблюдения в рентгеновской области должны быть сделаны с орбитальных спутников. Запуск рентгеновской обсерватории Чандра в 1999 году значительно расширил наблюдательные возможности рентгеновской астрономии.

Обнаружение рентгеновских лучей

Фотопленка использовалась Röntgen как один из первых рентгеновских детекторов, и этот простой метод широко используется в медицинских применениях. Процесс воздействия инициируется рентгеновскими фотонами ионизирующими радиационно-чувствительными кристаллами галогенида серебра в эмульсии на поверхности пленки; результирующее фотохимическое изменение затронутых кристаллов затемняет открытую область.

Слово от Health-ambulance.ru

Фотохимические методы, значительно улучшенные со времен Röntgen и все еще чрезвычайно полезные для качественного применения, не подходят для более количественных измерений интенсивности рентгеновских лучей и спектрального содержимого. Был разработан ряд более эффективных методов обнаружения. В трубке Гейгера-Мюллера или счетчика Гейгера входящие рентгеновские фотоны ионизируют атомы в заполненном газе объеме. Приложенное высокое напряжение индуцирует дальнейшую ионизацию от столкновений между освобожденными электронами и нейтральными атомами, создавая лавину заряженных частиц и большой электрический импульс, который легко обнаруживается. Более сложные схемы обнаружения, основанные на ионизации атомов газа, могут различать рентгеновские лучи разных энергий. Другие общие схемы обнаружения основаны на способности рентгеновских лучей производить видимую флуоресценцию в кристаллах и разделение заряда в полупроводниках.
Теги: рентген
Комментировать
Информация
Комментировать статьи на сайте возможно только в течении 30 дней со дня публикации.
Регистрация