Какво знаем за рентгеновите лъчи?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

През 19 век радиацията, невидима за човешкото око, способна да преминава през плът и други материали, изглеждаше като нещо напълно фантастично. Сега рентгеновите лъчи се използват широко за създаване на медицински изображения, провеждане на лъчева терапия, анализиране на произведения на изкуството и решаване на проблеми с ядрената енергия.

Как е открито рентгеновото лъчение и как помага на хората - разбираме заедно с физика Александър Николаевич Долгов.

Откриването на рентгеновите лъчи

От края на 19 век науката започва да играе принципно нова роля в оформянето на картината на света. Преди век дейността на учените е от любителски и частен характер. Но до края на 18 век, в резултат на научно-техническата революция, науката се превръща в систематична дейност, в която всяко откритие става възможно благодарение на приноса на много специалисти.

Започнаха да се появяват изследователски институти, периодични научни списания, възникна конкуренция и борба за признаване на авторското право за научни постижения и технически иновации. Всички тези процеси протичат в Германската империя, където до края на 19 век кайзерът насърчава научните постижения, които повишават престижа на страната на световната сцена.

Един от учените, работили с ентусиазъм през този период, е професорът по физика, ректорът на университета във Вюрцбург Вилхелм Конрад Рентген. На 8 ноември 1895 г. той остава до късно в лабораторията, както често се случва, и решава да проведе експериментално изследване на електрическия разряд в стъклени вакуумни тръби. Той затъмни стаята и уви една от тръбичките в непрозрачна черна хартия, за да улесни наблюдението на оптичните явления, които съпътстват разряда. За моя изненада

Рентген видя флуоресцентна лента на близкия екран, покрит с кристали на бариев цианоплатинит. Малко вероятно е един учен тогава да си представи, че е на прага на едно от най-важните научни открития на своето време. Следващата година ще бъдат написани над хиляда публикации за рентгеновите лъчи, лекарите незабавно ще вземат изобретението в експлоатация, благодарение на него в бъдеще ще бъде открита радиоактивност и ще се появят нови посоки на науката.

Рентген посвети следващите няколко седмици на изследване на природата на неразбираемото сияние и установи, че флуоресценцията се появява винаги, когато прилага ток към тръбата. Източникът на излъчване е тръбата, а не някаква друга част от електрическата верига. Не знаейки пред какво е изправен, Рентген решава да обозначи това явление като рентгенови лъчи или рентгенови лъчи. По-нататък Рентген открива, че това излъчване може да проникне в почти всички обекти на различни дълбочини, в зависимост от дебелината на обекта и плътността на веществото.

Така малък оловен диск между изпускателната тръба и екрана се оказва непроницаем за рентгенови лъчи и костите на ръката хвърлят по-тъмна сянка върху екрана, заобиколен от по-светла сянка от меките тъкани. Скоро ученият установи, че рентгеновите лъчи причиняват не само блясъка на екрана, покрит с бариев цианоплатинит, но и потъмняването на фотографските плочи (след проявяване) на тези места, където рентгеновите лъчи попаднаха върху фотографската емулсия.

В хода на експериментите си Рентген е убеден, че е открил радиация, непозната на науката. На 28 декември 1895 г. той съобщава за резултатите от изследването в статия „За нов вид радиация“в списание Annals of Physics and Chemistry. В същото време той изпраща на учените снимките на ръката на съпругата си Анна Берта Лудвиг, която по-късно става известна.

Благодарение на стария приятел на Рентген, австрийския физик Франц Екснер, жителите на Виена първи виждат тези снимки на 5 януари 1896 г. на страниците на вестник Die Presse. Още на следващия ден информацията за откриването беше предадена на вестник London Chronicle. Така откритието на Рентген постепенно започва да навлиза в ежедневието на хората. Практическото приложение е намерено почти веднага: на 20 януари 1896 г. в Ню Хемпшир лекарите лекуват мъж със счупена ръка с помощта на нов диагностичен метод - рентгенова снимка.

Ранно използване на рентгенови лъчи

В продължение на няколко години рентгеновите изображения започнаха активно да се използват за по-точни операции. Вече 14 дни след откриването им Фридрих Ото Валкхоф направи първата рентгенова снимка на зъбите. И след това заедно с Фриц Гизел основават първата в света дентална рентгенова лаборатория.

До 1900 г., 5 години след откриването му, използването на рентгенови лъчи в диагностиката се счита за неразделна част от медицинската практика.

Статистиката, изготвена от най-старата болница в Пенсилвания, може да се счита за показателна за разпространението на технологии, базирани на рентгеново лъчение. Според нея през 1900 г. само около 1-2% от пациентите са получавали помощ с рентгенови лъчи, докато към 1925 г. са вече 25%.

Рентгеновите лъчи са били използвани по много необичаен начин по това време. Например, те са били използвани за предоставяне на услуги за епилация. Дълго време този метод се смяташе за предпочитан в сравнение с по-болезнените - форцепс или восък. Освен това рентгеновите лъчи са били използвани в апарати за монтиране на обувки - пробни флуороскопи (педоскопи). Това бяха рентгенови апарати със специален прорез за краката, както и прозорци, през които клиентът и продавачите можеха да преценят как са седнали обувките.

Ранното използване на рентгенови изображения от съвременна гледна точка на безопасността повдига много въпроси. Проблемът беше, че по време на откриването на рентгеновите лъчи на практика нищо не се знаеше за радиацията и последствията от нея, поради което пионерите, използвали новото изобретение, се сблъскаха с вредните му ефекти в собствения си опит. се превърна в масово явление в началото на 19 в. XX век и хората започнаха постепенно да осъзнават опасностите от безсмисленото използване на рентгенови лъчи.

Естеството на рентгеновите лъчи

Рентгеновото лъчение е електромагнитно излъчване с енергия на фотоните от ~ 100 eV до 250 keV, което се намира в скалата на електромагнитните вълни между ултравиолетовото лъчение и гама лъчението. Това е част от естественото излъчване, което се появява в радиоизотопите, когато атомите на елементите се възбуждат от поток от електрони, алфа частици или гама кванти, при които електроните се изхвърлят от електронните обвивки на атома. Рентгеновото лъчение възниква, когато заредените частици се движат с ускорение, по-специално, когато електроните се забавят, в електрическото поле на атомите на веществото.

Различават се меки и твърди рентгенови лъчи, условната граница между които в скалата на дължината на вълната е около 0,2 nm, което съответства на енергия на фотона от около 6 keV. Рентгеновото лъчение е както проникващо, поради късата си дължина на вълната, така и йонизиращо, тъй като, преминавайки през вещество, то взаимодейства с електроните, избивайки ги от атомите, като по този начин ги разбива на йони и електрони и променя структурата на веществото върху който действа.

Рентгеновите лъчи предизвикват светене на химическо съединение, наречено флуоресценция. Облъчването на атомите на пробата с високоенергийни фотони предизвиква излъчване на електрони – те напускат атома. В една или повече електронни орбитали се образуват "дупки" - вакантни места, поради които атомите преминават във възбудено състояние, тоест стават нестабилни. Милионни части от секундата по-късно атомите се връщат в стабилно състояние, когато свободните места във вътрешните орбитали се запълват с електрони от външните орбитали.

Този преход е придружен от излъчване на енергия под формата на вторичен фотон, поради което възниква флуоресценция.

Рентгенова астрономия

На Земята рядко срещаме рентгенови лъчи, но доста често се срещат в космоса. Там се среща естествено поради дейността на много космически обекти. Това направи възможна рентгеновата астрономия. Енергията на рентгеновите фотони е много по-висока от оптичните, следователно в рентгеновия диапазон той излъчва вещество, нагрято до изключително високи температури.

Тези космически източници на рентгеново лъчение не са забележима част от естествения фон на радиация за нас и следователно не застрашават хората по никакъв начин. Единственото изключение може да бъде такъв източник на твърдо електромагнитно излъчване като експлозия на свръхнова, която се е случила достатъчно близо до Слънчевата система.

Как да създадем рентгенови лъчи изкуствено?

Рентгеновите устройства все още се използват широко за неразрушителна интроскопия (рентгенови изображения в медицината, откриване на дефекти в технологиите). Основният им компонент е рентгенова тръба, която се състои от катод и анод. Тръбните електроди са свързани към източник на високо напрежение, обикновено десетки или дори стотици хиляди волта. При нагряване катодът излъчва електрони, които се ускоряват от генерираното електрическо поле между катода и анода.

Сблъсквайки се с анода, електроните се забавят и губят по-голямата част от енергията си. В този случай се появява спирачно лъчение от рентгеновия диапазон, но преобладаващата част от енергията на електроните се превръща в топлина, така че анодът се охлажда.

Рентгеновата тръба с постоянно или импулсно действие все още е най-разпространеният източник на рентгеново лъчение, но далеч не е единственият. За получаване на импулси на лъчение с висок интензитет се използват силнотокови разряди, при които плазменият канал на протичащия ток се компресира от собственото си магнитно поле на тока - така нареченото прищипване.

Ако разрядът се извършва в среда от леки елементи, например във водородна среда, тогава той играе ролята на ефективен ускорител на електрони от електрическото поле, възникващо в самия разряд. Този разряд може значително да надвиши полето, генерирано от външен източник на ток. По този начин се получават импулси от твърдо рентгеново лъчение с висока енергия на генерирани кванти (стотици килоелектронволта), които имат висока проникваща способност.

За получаване на рентгенови лъчи в широк спектрален диапазон се използват електронни ускорители - синхротрони. При тях излъчването се образува вътре в пръстеновидна вакуумна камера, в която по кръгова орбита се движи тясно насочен лъч от високоенергийни електрони, ускорен почти до скоростта на светлината. По време на въртене, под въздействието на магнитно поле, летящите електрони излъчват лъчи от фотони тангенциално към орбитата в широк спектър, чийто максимум попада в рентгеновия диапазон.

Как се откриват рентгенови лъчи

Дълго време се използва тънък слой от фосфор или фотографска емулсия, нанесен върху повърхността на стъклена плоча или прозрачен полимерен филм, за откриване и измерване на рентгеново лъчение. Първият светеше в оптичния обхват на спектъра под действието на рентгеново лъчение, докато оптичната прозрачност на покритието се променяше във филма под действието на химическа реакция.

Понастоящем най-често за регистриране на рентгеново лъчение се използват електронни детектори – устройства, които генерират електрически импулс, когато в чувствителния обем на детектора се абсорбира квант лъчение. Те се различават по принципа на преобразуване на енергията на погълнатата радиация в електрически сигнали.

Рентгеновите детектори с електронна регистрация могат да бъдат разделени на йонизиращи, чието действие се основава на йонизация на вещество, и радиолуминесцентни, включително сцинтилационни, използващи луминесценцията на вещество под действието на йонизиращо лъчение. Йонизационните детектори от своя страна се делят на пълни с газ и полупроводникови, в зависимост от средата за откриване.

Основните видове газонапълнени детектори са йонизационни камери, броячи на Гайгер (броячи на Гайгер-Мюлер) и пропорционални газоразрядни броячи. Квантите на излъчване, навлизащи в работната среда на брояча, предизвикват йонизация на газа и протичането на тока, което се записва. В полупроводниковия детектор двойки електрон-дупка се образуват под действието на радиационни кванти, които също правят възможно протичането на електрически ток през тялото на детектора.

Основният компонент на сцинтилационните броячи във вакуумно устройство е фотоумножителна тръба (ФУМ), която използва фотоелектричния ефект за преобразуване на радиацията в поток от заредени частици и феномена на вторична електронна емисия за усилване на тока на генерираните заредени частици. Фотоумножителят има фотокатод и система от последователни ускоряващи електроди - диноди, при въздействие върху които ускорените електрони се размножават.

Вторичният електронен умножител е устройство с отворен вакуум (работи само при условия на вакуум), при което рентгеновото лъчение на входа се преобразува в поток от първични електрони и след това се усилва поради вторичното излъчване на електрони, докато те се разпространяват в канала на умножителя.

Микроканалните плочи, които представляват огромен брой отделни микроскопични канали, които проникват в детектора за плочи, работят по същия принцип. Те могат допълнително да осигурят пространствена разделителна способност и формиране на оптично изображение на напречното сечение на потока, падащ върху детектора на рентгеново лъчение чрез бомбардиране на изходящия електронен поток на полупрозрачен екран с отложен върху него фосфор.

Рентгенови лъчи в медицината

Способността на рентгеновите лъчи да блестят през материални обекти не само дава на хората възможността да създават прости рентгенови лъчи, но също така отваря възможности за по-модерни диагностични инструменти. Например, той е в основата на компютърната томография (КТ).

Източникът на рентгенови лъчи и приемникът се въртят вътре в пръстена, в който лежи пациентът. Получените данни за това как тъканите на тялото абсорбират рентгеновите лъчи се реконструират от компютър в 3D изображение. КТ е особено важна за диагностициране на инсулт и въпреки че е по-малко точна от магнитно-резонансната томография на мозъка, отнема много по-малко време.

Сравнително нова посока, която сега се развива в микробиологията и медицината, е използването на мека рентгенова радиация. Когато жив организъм е полупрозрачен, това дава възможност да се получи изображение на кръвоносните съдове, да се проучи подробно структурата на меките тъкани и дори да се извършват микробиологични изследвания на клетъчно ниво.

Рентгенов микроскоп, използващ лъчение от щипков разряд в плазмата на тежки елементи, дава възможност да се видят такива детайли от структурата на жива клетка,които не могат да се видят с електронен микроскоп дори в специално подготвена клетъчна структура.

Един от видовете лъчева терапия, използван за лечение на злокачествени тумори, използва твърди рентгенови лъчи, което става възможно поради йонизиращия му ефект, който разрушава тъканта на биологичен обект. В този случай като източник на радиация се използва ускорител на електрони.

Рентгенография в техниката

Меките рентгенови лъчи се използват в изследвания, насочени към решаване на проблема с контролирания термоядрен синтез. За да започнете процеса, трябва да създадете ударна вълна на откат чрез облъчване на малка деутериева и тритиева мишена с меки рентгенови лъчи от електрически разряд и незабавно нагряване на черупката на тази цел до плазмено състояние.

Тази вълна компресира целевия материал до плътност хиляди пъти по-висока от плътността на твърдо вещество и го нагрява до термоядрена температура. Освобождаването на енергия от термоядрен синтез става за кратко време, докато горещата плазма се разсейва по инерция.

Възможността за полупрозрачност прави възможна рентгенография - техника за изобразяване, която ви позволява да покажете вътрешната структура на непрозрачен обект, изработен от метал, например. Невъзможно е да се определи на око дали мостовите конструкции са здраво заварени, дали шевът на газопровода е херметичен и дали релсите прилягат плътно една към друга.

Ето защо в индустрията рентгеновото лъчение се използва за откриване на дефекти - наблюдение на надеждността на основните работни свойства и параметри на обект или отделни негови елементи, което не изисква извеждането на обекта от експлоатация или демонтажа му.

Рентгеновата флуоресцентна спектрометрия се основава на ефекта на флуоресценцията - метод за анализ, използван за определяне на концентрациите на елементи от берилий до уран в диапазона от 0,0001 до 100% в вещества от различен произход.

При облъчване на проба с мощен поток лъчение от рентгенова тръба се появява характерно флуоресцентно излъчване на атоми, което е пропорционално на концентрацията им в пробата. Понастоящем практически всеки електронен микроскоп позволява безпроблемно да се определи детайлния елементен състав на изследваните микрообекти чрез метода на рентгенов флуоресцентен анализ.

Рентгенови лъчи в историята на изкуството

Способността на рентгеновите лъчи да проблясват и да създават флуоресцентен ефект се използва и за изучаване на картини. Това, което се крие под горния слой боя, може да разкаже много за историята на създаването на платното. Например, именно при умелата работа с няколко слоя боя може да се намери изображение като уникално в творчеството на художника. Също така е важно да се вземе предвид структурата на слоевете на картината при избора на най-подходящите условия за съхранение на платното.

За всичко това рентгеновото лъчение е незаменимо, което ви позволява да погледнете под горните слоеве на изображението, без да го навредите.

Важни разработки в тази посока са новите методи, специализирани за работа с произведения на изкуството. Макроскопската флуоресценция е вариант на рентгенов флуоресцентен анализ, който е много подходящ за визуализиране на структурата на разпределение на ключови елементи, главно метали, присъстващи в площи от около 0,5-1 квадратен метър или повече.

От друга страна, рентгеновата ламинография, вариант на компютърна рентгенова томография, която е по-подходяща за изследване на плоски повърхности, изглежда обещаваща за получаване на изображения на отделни слоеве на картината. Тези методи могат да се използват и за изследване на химическия състав на слоя боя. Това позволява на платното да бъде датирано, включително с цел идентифициране на фалшификат.

Рентгеновите лъчи ви позволяват да разберете структурата на веществото

Рентгеновата кристалография е научна посока, свързана с идентифицирането на структурата на материята на атомно и молекулярно ниво. Отличителна черта на кристалните тела е многократно подредено повторение в пространствената структура на едни и същи елементи (клетки), състоящи се от определен набор от атоми, молекули или йони.

Основният метод на изследване се състои в излагане на кристална проба на тесен лъч рентгенови лъчи с помощта на рентгенова камера. Получената снимка показва картина на дифрагирани рентгенови лъчи, преминаващи през кристала, от която учените могат да покажат визуално неговата пространствена структура, наречена кристална решетка. Различните начини за прилагане на този метод се наричат рентгеноструктурен анализ.

Рентгеновият структурен анализ на кристални вещества се състои от два етапа:

1. Определяне на размера на единичната клетка на кристала, броя на частиците (атоми, молекули) в елементарната клетка и симетрията на подреждането на частиците. Тези данни се получават чрез анализ на геометрията на местоположението на дифракционните максимуми.
2. Изчисляване на електронната плътност вътре в елементарната клетка и определяне на атомните координати, които се идентифицират с позицията на максимумите на електронната плътност. Тези данни се получават чрез анализ на интензитета на дифракционните максимуми.

Някои молекулярни биолози прогнозират, че при изобразяването на най-големите и сложни молекули рентгеновата кристалография може да бъде заменена с нова техника, наречена криогенна електронна микроскопия.

Един от най-новите инструменти в химическия анализ е филмовият скенер на Хендерсън, който той използва в своята пионерска работа в криогенната електронна микроскопия. Този метод обаче все още е доста скъп и следователно е малко вероятно да замени напълно рентгеновата кристалография в близко бъдеще.

Сравнително нова област на научни изследвания и технически приложения, свързани с използването на рентгенови лъчи, е рентгеновата микроскопия. Предназначена е за получаване на увеличено изображение на изследвания обект в реално пространство в две или три измерения с помощта на фокусираща оптика.

Дифракционната граница на пространствената разделителна способност при рентгенова микроскопия поради малката дължина на вълната на използваното лъчение е около 1000 пъти по-добра от съответната стойност за оптичен микроскоп. В допълнение, проникващата сила на рентгеновото лъчение прави възможно изследването на вътрешната структура на пробите, които са напълно непрозрачни за видимата светлина.

И въпреки че електронната микроскопия има предимството на малко по-висока пространствена разделителна способност, тя не е неразрушителен метод за изследване, тъй като изисква вакуум и проби с метални или метализирани повърхности, което е напълно разрушително, например за биологични обекти.