Šta znamo o rendgenskim zracima?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

U 19. veku, zračenje nevidljivo ljudskom oku, sposobno da prođe kroz meso i druge materijale, izgledalo je kao nešto potpuno fantastično. Sada se rendgenski zraci naširoko koriste za stvaranje medicinskih slika, provođenje terapije zračenjem, analizu umjetničkih djela i rješavanje problema nuklearne energije.

Kako je otkriveno rendgensko zračenje i kako ono pomaže ljudima - saznajemo zajedno sa fizičarem Aleksandrom Nikolajevičem Dolgovom.

Otkriće rendgenskih zraka

Od kraja 19. veka nauka je počela da igra fundamentalno novu ulogu u oblikovanju slike sveta. Prije jednog stoljeća, aktivnosti naučnika bile su amaterske i privatne prirode. Međutim, do kraja 18. stoljeća, kao rezultat naučne i tehnološke revolucije, nauka se pretvorila u sistematsku djelatnost u kojoj je svako otkriće postalo moguće zahvaljujući doprinosu brojnih stručnjaka.

Počeli su da se pojavljuju istraživački instituti, periodični naučni časopisi, nastala je konkurencija i borba za priznavanje autorskih prava za naučna dostignuća i tehničke inovacije. Svi ovi procesi odvijali su se u Nemačkom carstvu, gde je do kraja 19. veka Kajzer podsticao naučna dostignuća koja su podigla prestiž zemlje na svetskoj sceni.

Jedan od naučnika koji je sa entuzijazmom radio u ovom periodu bio je profesor fizike, rektor Univerziteta u Vircburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. novembra 1895. ostao je do kasno u laboratoriji, kao što se često dešavalo, i odlučio da sprovede eksperimentalno istraživanje električnog pražnjenja u staklenim vakuumskim cevima. Zamračio je prostoriju i umotao jednu od cijevi u neprozirni crni papir kako bi lakše uočio optičke pojave koje prate pražnjenje. Na moje iznenađenje

Rentgen je video fluorescentnu traku na obližnjem ekranu prekrivenom kristalima barijum cijanoplatinita. Malo je vjerovatno da bi naučnik tada mogao zamisliti da je bio na ivici jednog od najvažnijih naučnih otkrića svog vremena. Sljedeće godine će biti napisano preko hiljadu publikacija o rendgenskim zracima, doktori će odmah uzeti izum u upotrebu, zahvaljujući njemu će se u budućnosti otkriti radioaktivnost i pojavit će se novi pravci nauke.

Roentgen je narednih nekoliko sedmica posvetio istraživanju prirode neshvatljivog sjaja i otkrio da se fluorescencija pojavljuje svaki put kada je primijenio struju na cijev. Cijev je bila izvor zračenja, a ne neki drugi dio električnog kola. Ne znajući s čime se suočava, Rentgen je odlučio da ovu pojavu označi kao X-zrake, odnosno X-zrake. Dalje je Roentgen otkrio da ovo zračenje može prodrijeti u gotovo sve objekte na različite dubine, ovisno o debljini objekta i gustoći tvari.

Tako se ispostavilo da je mali olovni disk između cijevi za pražnjenje i ekrana bio neotporan na rendgenske zrake, a kosti šake bacale su tamniju sjenu na ekran, okružene svjetlijom sjenom mekih tkiva. Ubrzo je naučnik otkrio da rendgenski zraci uzrokuju ne samo sjaj ekrana prekrivenog barijum cijanoplatinitom, već i zamračenje fotografskih ploča (nakon razvoja) na onim mjestima gdje su rendgenski zraci pali na fotografsku emulziju.

Tokom svojih eksperimenata, Rentgen je bio uvjeren da je otkrio zračenje nepoznato nauci. 28. decembra 1895. izvijestio je o rezultatima istraživanja u članku "O novoj vrsti zračenja" u časopisu Annals of Physics and Chemistry. Istovremeno je naučnicima poslao slike ruke svoje supruge Ane Berthe Ludwig, koja je kasnije postala poznata.

Zahvaljujući starom Rentgenovom prijatelju, austrijskom fizičaru Francu Eksneru, stanovnici Beča su prvi videli ove fotografije 5. januara 1896. godine na stranicama lista Die Presse. Već sljedećeg dana, informacija o otvaranju je prenijeta u London Chronicle novine. Tako je otkriće Rentgena postepeno počelo da ulazi u svakodnevni život ljudi. Praktična primjena pronađena je gotovo odmah: 20. januara 1896. godine u New Hampshireu ljekari su liječili čovjeka sa slomljenom rukom koristeći novu dijagnostičku metodu - rendgenski snimak.

Rana upotreba rendgenskih zraka

Tokom nekoliko godina, rendgenski snimci su se počeli aktivno koristiti za preciznije operacije. Već 14 dana nakon njihovog otvaranja, Friedrich Otto Valkhoff napravio je prvi rendgenski snimak zuba. A nakon toga, zajedno sa Fritzom Gieselom, osnovali su prvi dentalni rendgenski laboratorij na svijetu.

Do 1900. godine, 5 godina nakon njegovog otkrića, upotreba rendgenskih zraka u dijagnostici se smatrala sastavnim dijelom medicinske prakse.

Statistike koje je prikupila najstarija bolnica u Pensilvaniji mogu se smatrati pokazateljima širenja tehnologija zasnovanih na rendgenskom zračenju. Prema njenim riječima, 1900. godine samo je oko 1-2% pacijenata primalo pomoć rendgenskim zracima, dok ih je do 1925. godine već bilo 25%.

Rendgenski zraci su korišteni na vrlo neobičan način u to vrijeme. Na primjer, korišteni su za pružanje usluga uklanjanja dlaka. Dugo se vremena ova metoda smatrala boljom u odnosu na one bolnije - pincete ili vosak. Osim toga, rendgenski zraci su korišteni u aparatima za montažu cipela - fluoroskopima za isprobavanje (pedoskopi). Radilo se o rendgen aparatima sa posebnim zarezom za stopala, kao i prozorima kroz koje su klijent i prodavci mogli da procene kako su cipele slegle.

Rana upotreba rendgenskog snimanja iz moderne sigurnosne perspektive postavlja mnoga pitanja. Problem je bio što se u vrijeme otkrića rendgenskih zraka praktično ništa nije znalo o zračenju i njegovim posljedicama, zbog čega su se pioniri koji su koristili novi izum na vlastitom iskustvu suočili s njegovim štetnim efektima. postala masovna pojava na prelazu iz 19. veka u XX vek, a ljudi su postepeno počeli da shvataju opasnosti bezumne upotrebe rendgenskih zraka.

Priroda rendgenskih zraka

Rentgensko zračenje je elektromagnetno zračenje sa energijama fotona od ~100 eV do 250 keV, koje se nalazi na skali elektromagnetnih talasa između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja. To je dio prirodnog zračenja koje se javlja u radioizotopima kada su atomi elemenata pobuđeni strujom elektrona, alfa čestica ili gama kvanta, pri čemu se elektroni izbacuju iz elektronskih omotača atoma. Rendgensko zračenje nastaje kada se nabijene čestice kreću ubrzano, posebno kada se elektroni usporavaju, u električnom polju atoma tvari.

Razlikuju se meke i tvrde rendgenske zrake, uslovna granica između kojih je na skali valnih dužina oko 0,2 nm, što odgovara energiji fotona od oko 6 keV. Rentgensko zračenje je i prodorno, zbog svoje kratke valne dužine, i jonizujuće, jer pri prolasku kroz supstancu stupa u interakciju s elektronima, izbijajući ih iz atoma, razbijajući ih na ione i elektrone i mijenjajući strukturu tvari na na koje deluje.

X-zrake izazivaju sjaj hemijskog spoja koji se zove fluorescencija. Zračenje atoma uzorka visokoenergetskim fotonima uzrokuje emisiju elektrona – oni napuštaju atom. U jednoj ili više elektronskih orbitala nastaju "rupe" - prazna mjesta, zbog kojih atomi prelaze u pobuđeno stanje, odnosno postaju nestabilni. Milioniti dio sekunde kasnije, atomi se vraćaju u stabilno stanje, kada se prazna mjesta u unutrašnjim orbitalama popune elektronima s vanjskih orbitala.

Ovaj prijelaz je praćen emisijom energije u obliku sekundarnog fotona, pa nastaje fluorescencija.

X-zraka astronomija

Na Zemlji se retko susrećemo sa rendgenskim zracima, ali se često nalaze u svemiru. Tamo se prirodno javlja zbog aktivnosti mnogih svemirskih objekata. To je omogućilo rendgensku astronomiju. Energija rendgenskih fotona je mnogo veća od optičkih, stoga u rendgenskom području emituje supstancu zagrijanu na ekstremno visoke temperature.

Ovi kosmički izvori rendgenskog zračenja za nas nisu vidljivi dio prirodnog pozadinskog zračenja i stoga ni na koji način ne prijete ljudima. Jedini izuzetak može biti takav izvor tvrdog elektromagnetnog zračenja kao što je eksplozija supernove, koja se dogodila dovoljno blizu Sunčevog sistema.

Kako umjetno stvoriti X-zrake?

Rendgenski uređaji i dalje se široko koriste za nedestruktivnu introskopiju (rendgenski snimci u medicini, detekcija nedostataka u tehnologiji). Njihova glavna komponenta je rendgenska cijev koja se sastoji od katode i anode. Elektrode cijevi su povezane na izvor visokog napona, obično desetine ili čak stotine hiljada volti. Kad se zagrije, katoda emituje elektrone, koji se ubrzavaju generiranim električnim poljem između katode i anode.

U sudaru s anodom, elektroni se usporavaju i gube većinu svoje energije. U tom slučaju se javlja kočno zračenje rendgenskog opsega, ali se pretežni dio energije elektrona pretvara u toplinu, pa se anoda hladi.

Rendgenska cijev konstantnog ili impulsnog djelovanja i dalje je najrasprostranjeniji izvor rendgenskog zračenja, ali daleko od toga da je jedini. Za dobivanje impulsa zračenja visokog intenziteta koriste se visokostrujna pražnjenja, u kojima se plazma kanal tekuće struje komprimira vlastitim magnetskim poljem struje - tzv.

Ako se pražnjenje odvija u mediju lakih elemenata, na primjer, u vodikovom mediju, onda ono igra ulogu efikasnog akceleratora elektrona pomoću električnog polja koje nastaje u samom pražnjenju. Ovo pražnjenje može značajno premašiti polje koje stvara vanjski izvor struje. Na taj način se dobijaju impulsi tvrdog rendgenskog zračenja sa visokom energijom generisanih kvanta (stotine kiloelektronvolti), koji imaju veliku prodornu moć.

Za dobivanje rendgenskih zraka u širokom spektralnom rasponu koriste se akceleratori elektrona - sinhrotroni. U njima se zračenje formira unutar prstenaste vakuumske komore, u kojoj se usko usmjereni snop visokoenergetskih elektrona, ubrzan gotovo do brzine svjetlosti, kreće po kružnoj orbiti. Tokom rotacije, pod uticajem magnetnog polja, leteći elektroni emituju snopove fotona tangencijalno na orbitu u širokom spektru, čiji maksimum pada na rendgenski opseg.

Kako se detektuju rendgenski zraci

Dugo vremena se tanak sloj fosfora ili fotografske emulzije nanosio na površinu staklene ploče ili prozirnog polimernog filma za detekciju i mjerenje rendgenskog zračenja. Prvi je sijao u optičkom opsegu spektra pod dejstvom rendgenskog zračenja, dok se optička prozirnost premaza menjala u filmu pod dejstvom hemijske reakcije.

Trenutno se za registraciju rendgenskog zračenja najčešće koriste elektronski detektori - uređaji koji generiraju električni impuls kada se kvant zračenja apsorbira u osjetljivom volumenu detektora. Razlikuju se po principu pretvaranja energije apsorbiranog zračenja u električne signale.

Rendgen detektori sa elektronskom registracijom mogu se podijeliti na jonizacijske, čije se djelovanje zasniva na jonizaciji tvari, i radioluminiscentne, uključujući scintilaciju, koristeći luminiscenciju tvari pod djelovanjem jonizujućeg zračenja. Ionizacijski detektori se, pak, dijele na plinom punjene i poluvodičke, ovisno o mediju za detekciju.

Glavni tipovi detektora punjenih gasom su jonizacione komore, Geigerovi brojači (Geiger-Muller brojači) i proporcionalni brojači gasnog pražnjenja. Kvanti zračenja koji ulaze u radnu okolinu brojača izazivaju jonizaciju gasa i protok struje, što se i snima. U poluvodičkom detektoru parovi elektron-rupa se formiraju pod dejstvom kvanta zračenja, koji takođe omogućavaju da električna struja teče kroz telo detektora.

Glavna komponenta scintilacionih brojača u vakuumskom uređaju je fotomultiplikatorska cijev (PMT), koja koristi fotoelektrični efekat za pretvaranje zračenja u tok nabijenih čestica i fenomen sekundarne elektronske emisije kako bi se pojačala struja generiranih nabijenih čestica. Fotomultiplikator ima fotokatodu i sistem sekvencijalnih ubrzavajućih elektroda - dinoda, pri udaru na koje se ubrzani elektroni množe.

Sekundarni elektronski multiplikator je otvoreni vakuum uređaj (radi samo u vakuumskim uslovima), u kojem se rendgensko zračenje na ulazu pretvara u tok primarnih elektrona, a zatim pojačava zbog sekundarne emisije elektrona dok se šire u kanalu množenja..

Po istom principu rade mikrokanalne ploče, koje predstavljaju ogroman broj zasebnih mikroskopskih kanala koji prodiru u detektor ploča. Oni dodatno mogu obezbijediti prostornu rezoluciju i formiranje optičke slike poprečnog presjeka fluksa koji upada na detektor rendgenskog zračenja bombardiranjem izlaznog toka elektrona poluprozirnog ekrana nanesenim fosforom.

X-zrake u medicini

Sposobnost rendgenskih zraka da sijaju kroz materijalne objekte ne samo da daje ljudima mogućnost stvaranja jednostavnih rendgenskih zraka, već otvara i mogućnosti za naprednije dijagnostičke alate. Na primjer, on je u srcu kompjuterizovane tomografije (CT).

Izvor rendgenskog zračenja i prijemnik rotiraju unutar prstena u kojem leži pacijent. Dobijeni podaci o tome kako tkiva tijela apsorbuju rendgenske zrake kompjuterski se rekonstruišu u 3D sliku. CT je posebno važan za dijagnosticiranje moždanog udara, a iako je manje precizan od magnetne rezonancije mozga, traje mnogo manje vremena.

Relativno novi pravac, koji se sada razvija u mikrobiologiji i medicini, je upotreba mekog rendgenskog zračenja. Kada je živi organizam proziran, to omogućava dobijanje slike krvnih sudova, detaljno proučavanje strukture mekih tkiva, pa čak i izvođenje mikrobioloških studija na ćelijskom nivou.

Rentgenski mikroskop koji koristi zračenje iz pražnjenja tipa pinch u plazmi teških elemenata omogućava da se vide takvi detalji strukture žive ćelije,koja se ne može vidjeti od strane elektronskim mikroskopom čak u posebno pripremljen ćelijske strukture.

Jedan od vrste terapije zračenjem koristi za liječenje malignih tumora koristi teško X-zraka, koji postaje moguće zbog njegove jonizujuće efekat, koji uništava tkivo biološkog objekta. U ovom slučaju, elektron akcelerator se koristi kao izvor zračenja.

Radiografiju u tehnologiji

Soft X-zrake se koriste za istraživanja u cilju rješavanja problema kontrolisane termonuklearne fuzije. Da biste započeli proces, potrebno je da napravite trzaj šok wave irradiating mali deuterij i tricij meta s mekim X-zraka iz električnog pražnjenja i odmah grijanje školjke ove ciljne na stanju plazme.

Ovaj talas kompresuje meta materijal na hiljade gustoće puta veća od gustoće čvrste, a zagrijava se do temperature termonuklearne. Oslobađanje termonuklearne fuzije energije javlja u kratkom vremenu, dok je vruće plazme skatera po inerciji.

Sposobnost da se prozirni omogućava radiografiju - tehnika snimanja koja vam omogućava da prikažete unutrašnju strukturu neprozirnu predmeta od metala, na primjer. Nemoguće je utvrditi okom da li je most strukture su čvrsto zavarena, da li je šav na gasovod je hermetički zatvoren i da li šine stane čvrsto jedni drugima.

Stoga, u industriji, X-ray se koristi za detekciju manu - praćenje pouzdanost glavne radne svojstva i parametri objekta ili njegovih pojedinih elemenata, koji ne zahtijeva uzimanje predmeta iz servisa ili demontaže.

Rendgenska fluorescentna spektrometrija se temelji na efektu fluorescencije - metoda analize koristiti za određivanje koncentracije elemenata od berilija do urana u rasponu od 0,0001 do 100% u supstanci različitog porijekla.

Kada se uzorak ozračene sa snažnim fluksa zračenja iz rendgenske cijevi, karakterističan fluorescentno zračenje pojavljuje atoma, koja je proporcionalna njihova koncentracija u uzorku. U ovom trenutku, praktično svaki elektronski mikroskop omogućuje da se odredi, bez ikakvih poteškoća, detaljni elementarni sastav ispitivanih mikro-objektima metodom rendgenske fluorescentne analize.

X-zrake u povijesti umjetnosti

Sposobnost X-zraka da sija kroz i stvoriti efekt fluorescenciju se također koristi za proučavanje slike. Ono što se nalazi ispod vrha sloj boje može reći puno o povijesti stvaranja platna. Na primjer, to je u iskusniji radu sa nekoliko slojeva boje da se slika može da se utvrdi da su jedinstveni u radu umetnika. Također je važno uzeti u obzir strukturu slojeva slike pri odabiru najprikladnije uvjete skladištenja za platno.

Za sve ovo, X-ray zračenje je neophodan, omogućavajući vam da pogledate ispod gornje slojeve slike bez štete za to.

Važnih događaja u tom pravcu su nove metode specijalizirane za rad sa umjetničkih djela. Makroskopski fluorescencija je varijanta rendgenska fluorescentna analiza koja je dobro prilagođen za vizualizaciju distribucije strukturu ključnih elemenata, uglavnom metala, prisutan u područjima od oko 0.5-1 kvadratni metar ili više.

S druge strane, X-ray laminography, varijanta izračunava X-ray tomografije, što je više prikladan za proučavanje ravne površine, čini obećavajući za dobijanje slike pojedinačnih slojeva slike. Ove metode se također može koristiti za proučavanje kemijski sastav sloja boje. Ovo omogućava platno da se od, uključujući u cilju pronalaženja falsifikat.

X-zrake vam omogućiti da saznate strukture materije

Rentgenska kristalografija je naučni pravac povezan sa identifikacijom strukture materije na atomskom i molekularnom nivou. Posebnost kristalnih tijela je višestruko poređano ponavljanje u prostornoj strukturi istih elemenata (ćelija), koje se sastoje od određenog skupa atoma, molekula ili iona.

Glavna metoda istraživanja sastoji se u izlaganju kristalnog uzorka uskom snopu rendgenskih zraka pomoću rendgenske kamere. Rezultirajuća fotografija prikazuje sliku difraktiranih rendgenskih zraka koji prolaze kroz kristal, iz koje naučnici onda mogu vizualno prikazati njegovu prostornu strukturu, nazvanu kristalna rešetka. Različiti načini implementacije ove metode nazivaju se rendgenskom strukturnom analizom.

Rentgenska strukturna analiza kristalnih supstanci sastoji se od dvije faze:

1. Određivanje veličine jedinične ćelije kristala, broja čestica (atoma, molekula) u jediničnoj ćeliji i simetrije rasporeda čestica. Ovi podaci se dobijaju analizom geometrije lokacije difrakcionih maksimuma.
2. Proračun elektronske gustine unutar jedinične ćelije i određivanje atomskih koordinata, koje se identifikuju sa položajem maksimuma elektronske gustine. Ovi podaci se dobijaju analizom intenziteta difrakcionih maksimuma.

Neki molekularni biolozi predviđaju da bi se u snimanju najvećih i najsloženijih molekula kristalografija rendgenskih zraka mogla zamijeniti novom tehnikom koja se zove kriogena elektronska mikroskopija.

Jedan od najnovijih alata u hemijskoj analizi bio je Hendersonov filmski skener, koji je koristio u svom pionirskom radu u kriogenoj elektronskoj mikroskopiji. Međutim, ova metoda je još uvijek prilično skupa i stoga je malo vjerovatno da će u bliskoj budućnosti u potpunosti zamijeniti rendgensku kristalografiju.

Relativno novo područje istraživanja i tehničkih primjena povezanih s upotrebom rendgenskih zraka je rendgenska mikroskopija. Dizajniran je da dobije uvećanu sliku objekta koji se proučava u realnom prostoru u dvije ili tri dimenzije pomoću fokusirajuće optike.

Difrakcijska granica prostorne rezolucije u rendgenskoj mikroskopiji zbog male valne dužine zračenja koja se koristi je oko 1000 puta bolja od odgovarajuće vrijednosti za optički mikroskop. Osim toga, prodorna moć rendgenskog zračenja omogućava proučavanje unutrašnje strukture uzoraka koji su potpuno neprozirni za vidljivu svjetlost.

I iako elektronska mikroskopija ima prednost u nešto većoj prostornoj rezoluciji, ona nije nedestruktivna metoda istraživanja, jer zahtijeva vakuum i uzorke s metalnim ili metaliziranim površinama, što je potpuno destruktivno, na primjer, za biološke objekte.