ЛЕКЦИЯ
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Природа рентгеновского излучения
Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине.
Рентгеновское излучение (X – лучи) открыты К. Рентгеном который в 1895 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
Природа рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длинной от 80 до 10 –5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ излучением, коротковолновое – длинноволновым-излучением.
Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках. рис.1.
К – катод
1 – пучок электронов
2 –рентгеновское излучение
Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки.
Трубка представляет собой стеклянную колбу (с возможно высоким вакуумом: давление в ней порядка 10 –6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое напряжение U (несколько тысяч вольт). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при бомбардировке электронов. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама).
Сильный разогрев анода обусловлен тем, что основное количество электронов в катодном пучке, попав на анод, испытывает многочисленные столкновения с атомами вещества и передает им большую энергию.
Под действием высокого напряжения электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий. Кинетическая энергия электрона равна mv 2 /2. Она равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электростатическом поле трубки:
mv 2 /2 = eU (1)
где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение.
Процессы приводящие к возникновению тормозного рентгеновского излучения обусловлены интенсивным торможением электронов в веществе анода электростатическим полем атомного ядра и атомарных электронов.
Механизм возникновения можно представить следующим образом. Движущиеся электроны – это некоторый ток, образующий свое магнитное поле. Замедление электронов – снижение силы тока и, соответственно, изменение индукции магнитного поля, которое вызовет возникновение переменного электрического поля, т.е. появление электромагнитной волны.
Таким образом, когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою энергию и скорость и излучает электромагнитные волны.
Спектральные свойства тормозного рентгеновского излучения .
Итак, в случае торможения электрона в веществе анода возникает тормозное рентгеновское излучение.
Спектр тормозного рентгеновского излучения является сплошным . Причина этого в следующем.
При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е 1 = Q), другая часть на создание фотона рентгеновского излучения (Е 2 = hv), иначе, eU = hv + Q. Соотношение между этими частями случайное.
Таким образом, непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения образуется благодаря торможению множества электронов, каждый из которых испускает один квант рентгеновского излучения hv (h) строго определенной величины. Величина этого кванта различна для разных электронов. Зависимость потока энергии рентгеновского излучения от длины волны , т.е. спектр рентгеновского излучения представлен на рис.2.
Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода.
Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом.
Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны m i n . Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0):
eU = hv max = hc/ min , min = hc/(eU), (2)
min (нм) = 1,23/UкВ
Спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение m i n смещается в сторону коротких длин волн (рис. 2a).
При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б).
Поток энергии Ф тормозного излучения прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:
Ф = kZU 2 I. (3)
где k = 10 –9 Вт/(В 2 А).
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Увеличение напряжения на рентгеновской трубке приводит к тому, что на фоне сплошного спектра появляется линейчатый, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению. Это излучение специфично для материала анода.
Механизм его возникновения таков. При большом напряжении ускоренные электроны (с большой энергией) проникают в глубь атома и выбивают из его внутренних слоев электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате чего высвечиваются фотоны характеристического излучения.
Спектры характеристического рентгеновского излучения отличаются от оптических спектров.
– Однотипность.
Однотипность характеристических спектров обусловлена тем, что внутренние электронные слои у разных атомов одинаковы и отличаются только энергетически из–за силового воздействия со стороны ядер, которое увеличивается с возрастанием порядкового номера элемента. Поэтому характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Опытно это было подтверждено сотрудником Рентгена – Мозли , который измерил частоты рентгеновских переходов для 33 элементов. Им был установлен закон.
ЗАКОН МОЗЛИ – корень квадратный из частоты характеристического излучения есть линейная функция порядкового номера элемента:
=
A
(Z – В), (4)
где v – частота спектральной линии, Z – атомный номер испускающего элемента. А, В – константы.
Важность закона Мозли заключается в том, что по этой зависимости можно по измеренной частоте рентгеновской линии точно узнать атомный номер исследуемого элемента. Это сыграло большую роль в размещении элементов в периодической системе.
Независимость от химического соединения.
Характеристические рентгеновские спектры атома не зависят от химического соединения, в которое входит атом элемента. Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О 2, Н 2 О, в то время как оптические спектры этих соединений отличаются. Эта особенность рентгеновского спектра атома послужила основанием для названия "характеристическое излучение ".
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Воздействие рентгеновского излучения на объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.
Рентгеновское излучение в веществе поглощается или рассеивается . При этом могут происходить различные процессы, которые определяются соотношением энергии рентгеновского фотона hv и энергии ионизации А и (энергия ионизации А и – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы).
а) Когерентное рассеяние (рассеяние длинноволнового излучения) происходит тогда, когда выполняется соотношение
У фотонов вследствие взаимодействия с электронами изменяется только направление движения (рис.3а), но энергия hv и длина волны не меняются (поэтому это рассеяние называется когерентным ). Так как энергия фотона и атома не изменяются, то когерентное рассеяние не влияет на биологические объекты, но при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения первичного направления пучка.
б) Фотоэффект происходит тогда, когда
При этом могут быть реализованы два случая.
Фотон поглощается, электрон отрывается от атома (рис. 3б). Происходит ионизация. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую энергию: E к = hv – A и. Если кинетическая энергия велика, то электрон может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые вторичные электроны.
Фотон поглощается, но его энергии не достаточно для отрыва электрона, и может происходить возбуждение атома или молекулы (рис.3в). Это часто приводит к последующему излучению фотона в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул и фотохимическим реакциям. Фотоэффект происходит, в основном, на электронах внутренних оболочек атомов с высоким Z.
в) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона, 1922 г.) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации
При этом электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи ), приобретает некоторую кинетическую энергию E к, энергия самого фотона уменьшается (рис. 4г):
hv = hv" + А и + Е к. (5)
Образующееся таким образом излучение с измененной частотой (длиной) называется вторичным , оно рассеивается по всем направлениям.
Электроны отдачи, если они имеют достаточную кинетическую энергию, могут ионизировать соседние атомы путем соударения. Таким образом, в результате некогерентного рассеяния образуется вторичное рассеянное рентгеновское излучение и происходит ионизация атомов вещества.
Указанные (а,б,в) процессы могут вызвать рад последующих. Например (рис. 3д), если при фотоэффекте происходит отрыв от атома электронов на внутренних оболочках, то на их место могут переходить электроны с более высоких уровней, что сопровождается вторичным характеристическим рентгеновским излучением данного вещества. Фотоны вторичного излучения, взаимодействуя с электронами соседних атомов, могут, в свою очередь, вызывать вторичные явления.
когерентное рассеяние
э
нергия и длина волны остаются
неизменными
фотоэффект
фотон поглощается, е – отрывается от атома – ионизация
hv = А и + Е к
атом А возбуждается при поглощении фотона, R – рентгенолюминесценция
некогерентное рассеяние
hv = hv"+А и +Е к
вторичные процессы при фотоэффекте
Рис. 3 Механизмы взаимодействие рентгеновского излучения с веществом
Физические основы использования рентгеновского излучения в медицине
При падении рентгеновского излучения на тело оно незначительно отражается от его поверхности, а в основном проходит вглубь, при этом частично поглощается и рассеивается, частично проходит насквозь.
Закон ослабления.
Поток рентгеновского излучения ослабляется в веществе по закону:
Ф = Ф 0 е – х (6)
где – линейный коэффициент ослабления, который существенно зависит от плотности вещества. Он равен сумме трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию 1, некогерентному 2 и фотоэффекту 3:
= 1 + 2 + 3 . (7)
Вклад каждого слагаемого определяется энергией фотона. Ниже приведены соотношения этих процессов для мягких тканей (воды).
|
Энергия, кэВ |
Фотоэффект |
Комптон - эффект |
Пользуются массовым коэффициентом ослабления, который не зависит от плотности вещества :
m = /. (8)
Массовый коэффициент ослабления зависит от энергии фотона и от атомного номера вещества – поглотителя:
m = k 3 Z 3 . (9)
Массовые коэффициенты ослабления кости и мягкой ткани (воды) отличаются: m кости / m воды = 68.
Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и перед ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая и ослабляя излучение, образует на экране тень. По характеру этой тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тел. Т.е. существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображение внутренних органов.
Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария (BaS0 4), можно видеть их теневое изображение (соотношение коэффициентов ослабления равно 354).
Использование в медицине.
В медицине используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100-120 кэВ при диагностике и 150-200 кэВ при терапии.
Рентгенодиагностика – распознавание заболеваний при помощи просвечивания тела рентгеновским излучением.
Рентгенодиагностику используют в различных вариантах, которые приведены ниже.
При рентгеноскопии рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение. В каждом отдельном случае подбирается соответствующая жесткость излучения, так чтобы оно проходило через мягкие ткани, но достаточно поглощалось плотными. В противном случае получается однородная тень. На экране сердце, ребра видны темными, легкие – светлыми.
При рентгенографии объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией. Рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной, наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения, чем в (1), поэтому наблюдаются детали, которые трудно рассмотреть при просвечивании.
Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская томография и "машинный вариант" – компьютерная томография.
3. При флюорографии, на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого экрана. При рассматривании снимки рассматриваются на специальном увеличителе.
Рентгенотерапия – использование рентгеновского излучения для уничтожения злокачественных образований.
Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток.
КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ (КТ)
Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами. Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальному программе вычисляет распределение плотно сти образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея. Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения в десятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода.
Видеографы (аппараты с цифровой обработкой рентгеновского изображения) в современной стоматологии.
В стоматологии именно рентгенологическое исследование является основным диагностическим методом. Однако ряд традиционных организационно–технических особенностей рентгенодиагностики делают ее не вполне комфортной как для пациента, так и для стоматологических клиник. Это, прежде всего, необходимость контакта пациента с ионизирующим излучением, создающим часто значительную лучевую нагрузку на организм, это также необходимость фотопроцесса, а следовательно, необходимость фотореактивов, в том числе токсичных. Это, наконец, громоздкий архив, тяжелые папки и конверты с рентгеновскими пленками.
Кроме того, современный уровень развития стоматологии делает недостаточной субъективную оценку рентгенограмм человеческим глазом. Как оказалось, из многообразия оттенков серого тона, содержащегося в рентгеновском изображении, глаз воспринимает только 64.
Очевидно, что для получения четкого и подробного изображения твердых тканей зубо–челюстной системы при минимальной лучевой нагрузке нужны иные решения. Поиск привел к созданию, так называемых, радиографических систем, видеографов – систем цифровой рентгенографии.
Без технических подробностей принцип действия таких систем состоит в следующем. Рентгеновское излучение поступает через объект не на фоточувствительную пленку, а на специальный внутриоральный датчик (специальную электронную матрицу). Соответствующий сигнал от матрицы передается на преобразующее его в цифровую форму оцифровывающее устройство (аналого-цифровой преобразователь, АЦП), связанное с компьютером. Специальное программное обеспечение строит на экране компьютера рентгеновское изображение и позволяет обработать его, сохранять на жестком или гибком носителе информации (винчестере, дискетах), в виде файла распечатывать его как картинку.
В цифровой системе рентгеновское изображение представляет собой совокупность точек, имеющих различные цифровые значения градации серого тона. Предусмотренная программой оптимизация отображения информации дает возможность получить оптимальный по яркости и контрастности кадр при относительно малой дозе облучения.
В современных системах, созданными, например, фирмами Trophy (Франция) или Schick (США) при формировании кадра используется 4096 оттенков серого, время экспозиции зависит от объекта исследования и, в среднем, составляет сотые – десятые доли секунды, снижение лучевой нагрузки по отношению к пленке – до 90 % для внутриоральных систем, до 70 % для панорамных видеографов.
При обработке изображений видеографы позволяют:
Получать позитивные и негативные изображения, изображения в псевдоцвете, рельефные изображения.
Повышать контраст и увеличивать интересующий фрагмент изображения.
Оценивать изменение плотности зубных тканей и костных структур, контролировать однородность заполнения каналов.
В эндодонтии определять длину канала любой кривизны, а в хирургии подбирать размер имплантата с точностью 0,1 мм.
Уникальная система Caries detector с элементами искусственного интеллекта при анализе снимка позволяет обнаружить кариес в стадии пятна, кариес корня и скрытый кариес.
«Ф» в формуле (3) относится ко всему интервалу излучаемых длин волн и часто называется «Интегральный поток энергии».
Виды излучений
Хоть глаза человека по своему устройству очень сложные и могут приспосабливаться к разным расстояниям и типу освещения, они воспринимают лишь солнечное излучение. Вместе с тем науке известны и другие электромагнитные потоки, такие как радиоволны, инфракрасные (тепловые) и ультрафиолетовые волны, а также гамма- и рентгеновские лучи. Последние по своей длине и свойствам очень похожи и отличаются не столько своей физической природой, сколько способом получения. Гамма-излучение возникает при распаде радиоактивных элементов, а рентгеновские лучи появляются при бомбардировке электронами или этими же рентгеновскими лучами какого-либо тела. Этот вид энергии может как приносить человеку огромную пользу, так и представлять серьезную опасность. Их испускают звезды (в том числе и Солнце), и они часто применяются в промышленности, больницах и лабораториях. А потому не лишним будет узнать о лучах подробнее.
Открытие рентгеновских лучей
Если бы не любознательность и наблюдательность немецкого физика Вильгельма Рентгена, человечество долго еще оставалось бы в неведении относительно их существования. В 1895 г. многих физиков интересовала природа и свойства катодных лучей, которые появлялись в результате газового разряда при малом давлении. Проводя опыты с таким излучением, В. Рентген обратил внимание на то, что фотопластинка, оказавшаяся неподалеку от разрядной трубки, засвечивалась даже тогда, когда ее заворачивали в черную бумагу. А затем его поразило еще одно странное явление: стоило обернуть разрядную трубку бумажным экраном, который был предварительно смочен в растворе платиносинеродистого бария, он вдруг начинал светиться. Причем когда ученый держал руку между экраном и трубкой, то на нем были заметны темные очертания костей на более светлом фоне всей руки. Физик понял, что совершил открытие, и назвал новое проникающее излучение Х-лучами, а позже за ними закрепилось еще одно название: рентгеновские лучи. Последующие эксперименты показали, что такие волны возникают, когда на пути быстрых электронов появляются любые препятствия, в том числе металлические электроды.
Свойства рентгеновских лучей
Излучение, открытое Рентгеном, воздействовало на фотопластинку и вызывало ионизацию воздуха, но вместе с тем не было заметно, что оно отражается от какого-либо вещества или испытывает преломление. А направление его распространения не зависело от электромагнитного поля. Сильную проницающую способность рентгеновских волн и прочие свойства ученые связывали с их малой длиной. Первое предположение, что Х-лучи - это электромагнитные волны, возникающие при резком замедлении электронов, было всего лишь гипотезой, которой нужно было найти подтверждения. И таковые были получены спустя 15 лет после смерти выдающегося немецкого физика. Поскольку рентгеновские лучи - это волны, то им должно быть свойственно явление дифракции. Вначале это хотели обнаружить, пропуская излучение сквозь микроскопические трещины в свинцовых пластинах, но ничего подобного замечено не было.
Прорыв Лауэ
А затем немецкий физик М. Лауэ предположил, что длина волн слишком мала, чтобы заметить дифракцию на искусственных препятствиях, и тогда ученые решили использовать кристаллы с упорядоченной решеткой атомов. Результат на практике полностью подтвердил теоретические предположения: на фотопластинке помимо большого центрального пятна появились регулярно расположенные маленькие пятнышки. Это явление можно было объяснить только дифракцией, и благодаря ей удалось определить длину рентгеновской волны. Оказалось, что она меньше ультрафиолетового излучения и по своему порядку примерно соответствует размерам атома. Частота таких волн лежит в интервале от 3 . 10 16 до 3 . 10 20 Гц.
Врачи прошлых веков и не мечтали о том, чтобы, заглянуть внутрь живого человека, не делая для этого никаких разрезов. Для них это было сказкой, а в наши дни стало обыденной реальностью. Современные врачи даже не представляют, как можно обходиться в диагностике многих заболеваний без рентгена. Сегодня это считается самым распространенным видом диагностических исследований. Но в свое время открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Конрадом Рентгеном стало переворотом в науке и в медицине в том числе. Как же это произошло?
Будущий ученый родился в 1845 году в Германии близ Дюссельдорфа. Его путь в науку был нелегким. Проблемы начались еще в школе, откуда Рентген был исключен, не получив аттестат зрелости. Но это не помешало ему заниматься самостоятельно. Он слушал лекции в Утрехтском университете, изучал машиностроение в Цюрихе. Известный физик Август Кундт взял любознательного и талантливого молодого человека к себе в ассистенты. Прошло несколько лет, и Рентген стал профессором в Страсбурге, а с 1894 года он — ректор Вюрцбургского университета.
Вильгельм Конрад Рентген
Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895 года. В тот день Рентген допоздна работал в своей лаборатории. Уже собираясь уходить, он затушил лампу и вдруг в темноте увидел легкое зеленоватое свечение. Светилось вещество в баночке, стоящей на столе. Рентген увидел, что забыл отключить один прибор – электронную вакуумную трубку. Он отключил трубку – свечение исчезло, снова включил – появилось. Самым удивительным было то, что прибор стоял в одном углу лаборатории, а баночка со светящимся веществом – в другом. Значит, решил ученый, от прибора исходит какое-то неизвестное излучение.
Понимая, что столкнулся с новым явлением, Рентген начал внимательно исследовать загадочные лучи. Напротив трубки он установил экран и, чтобы определить силу излучения, помещал между ними разные предметы. Книга, доска, листы бумаги – все они оказались прозрачными для лучей. Рентген подставил под лучи коробку с набором гирь. На экране стали хорошо видны их тени. Под пучок лучей случайно попала рука ученого. Рентген замер на месте. Он увидел собственные двигающиеся кости руки. Костная ткань подобно металлу оказалась непроницаема для лучей. Первой о выдающемся открытии рентгеновских лучей узнала жена ученого. Рентген с помощью Х-лучей сфотографировал руку фрау Берты. Это был первый в истории рентгеновский снимок.
Рентген продолжал исследование открытых лучей, проверяя и перепроверяя полученные результаты. Свое открытие он
первый в истории рентгеновский снимок
описал в рукописи «О новом виде лучей», которую отправил в Вюрцбургское физико-медицинское общество.
Открытие рентгеновских лучей потрясло весь мир. Физики с восторгом приняли открытие Рентгена и назвали в его честь новые лучи рентгеновскими. Сам Рентген спокойно отнесся к своему открытию. О значении лучей для диагностики в медицине он понял сразу. Несколько позже ученый выяснил, что с их помощью можно легко определять качество различных изделий. В наше время рентгеновские лучи применяют во разных областях науки и техники. С их помощью искусствоведы могут точно определять подлинность картин, отличать драгоценные камни от подделок, а таможенникам стало легче задерживать контрабандистов.
Но, основное место применение этих лучей – медицинские учреждения. Уже через год после открытия рентгеновские лучи стали использовать для диагностики переломов. Но возможности лучей оказались значительно шире. В медицине была образована новая область – рентгенология. Современная медицинская техника с помощью рентгеновского излучения исследует любые внутренние органы. При этом изображение можно видеть не только на пленке, а и на экране монитора. Рентгеновские лучи применяются не только в диагностике, а и в лечении некоторых заболеваний, например, онкологических.
Однако рентгеновское излучение имеет и отрицательные качества. При неправильном использовании оно становится опасным для здоровья. Ни сам Рентген, ни его современники не знали об этом и работали, не применяя никаких мер предосторожности. Многие физики в то время получили тяжелые лучевые ожоги. Лишь годы спустя были определены безопасные дозы облучения и созданы средства защиты.
В 1901 году Вильгельм Рентген был удостоен первой Нобелевской премии в области физики. Все полученные деньги ученый передал университету, работая в котором совершил свое открытие. Прожил Рентген до 78 лет и, будучи неустанным тружеником, он до последних дней своей жизни занимался научными исследованиями.
Несмотря на то, что с момента открытия рентгеновских лучей прошло уже больше сотни лет, этот научный прорыв до сих пор считается одним из самых серьезных событий в области медицины, позволивший перевести процесс диагностики множества разнообразных заболеваний на принципиально новый уровень. Сложно себе представить, но до 1895 года у врачей не было никакой другой возможности заглянуть внутрь живого человеческого тела безоперационным путем.
Разумеется, это серьезно осложняло процесс лечения, да и определить наличие многих заболеваний было практически невозможно. Именно по этой причине медицина того времени достаточно ненадежна, а врачи очень часто не могли дать никаких гарантий своим пациентам. Но все это изменилось 8 ноября 1895 года благодаря работе одного из самых трудолюбивых и талантливых физиков 19 века - Вильгельма Конрада Рентгена. Но обо всем по порядку, ведь сама личность ученого заслуживает не меньше внимания, чем его главное открытие.
Долгий путь Вильгельма Конрада Рентгена
Вильгельм родился в 1845 году в достаточно большом и развитом немецком городе Дюссельдорфе. С самого раннего возраста он проявлял большой интерес к физике, а вот с другими науками дела у него обстояли намного хуже. По этой причине он не смог полноценно закончить школу и получить аттестат зрелости. Тем не менее, молодой человек не отчаялся, и самостоятельно записался на лекции в Утрехтском университете, где в то время преподавал популярный физик Август Кундт. Он заметил целеустремленного юношу, и довольно скоро взял его в свои ассистенты. Так Рентген получил полноценное высшее образование, а через несколько лет даже занял должность одного из ведущих профессоров физики в Страсбургском университете. Параллельно с этим он проводил массу исследований, писал научные работы, и его потенциал был отмечен тем, что в 1894 году его назначили на должность ректора в Вюрцбургском университете.Стоит отметить, что это помогло ему получить в свое распоряжение самое современное оборудование для исследований, а также достаточно времени для работы, которое он не стал тратить впустую.
Уникальное открытие, которое перевернуло мир
8 ноября 1895 года Вильгельм Рентген как всегда работал в своей лаборатории допоздна. Когда он уже собирался уходить, было темно и, выключив все приборы и свет, заметил, что баночка с прозрачной жидкостью в одном из углов лаборатории начала светиться зеленым светом. Немного подумав, Рентген заметил, что в спешке не выключил один аппарат – вакуумную трубку. После ее выключения свечение пропало, и ученый начал изучать свое случайное открытие. Дело было в том, что банка с жидкостью стояла в другом конце комнаты, а значит, вакуумная трубка испускала особый луч. Чтобы проверить его свойства физик начал ставить на его пути разнообразные предметы – лист бумаги, картона, стекло и даже деревянные доски. Сквозь все эти предметы луч проходил без малейших сложностей. А вот когда он поставил на пути коробку с металлическими гирями, то смог увидеть их четкие очертания.Ученый продолжал эксперименты в течение нескольких часов, и в процессе его рука также попала в зону действия луча. То, что увидел ученый, шокировало его - он видел свою руку насквозь, а непрозрачными остались только кости.
Спустя несколько дней напряженных исследований он сделал первый в мире рентгеновский снимок, сфотографировав X-лучами руку своей жены Берты. За этим последовало еще множество разнообразных экспериментов, суть которых он раскрыл в своей научной работе, получившей большую популярность в физико-медицинском научном сообществе.
Это открытие произвело настоящий фурор, и новые лучи назвали рентгеновскими в честь их первооткрывателя. Сама ученый отнесся к своему открытию достаточно спокойно, и будучи человеком обстоятельным и последовательным, начал активно исследовать особенности и потенциальные сферы применения своего открытия. Уже через год он узнал о большинстве особенностей данных лучей. За свою работу в 1901 году Рентген получил Нобелевскую премию в области физики.
Значение открытия рентгеновских лучей
Открытие рентгеновских лучей стало мощным толчком для развития медицины. На основе исследований Рентгена появилось еще одно ответвление науки, под названием рентгенология, занимавшаяся диагностикой заболеваний по снимкам. Начиная с определения переломов, исследователи смоли определять множество разнообразных заболеваний. А с развитием онкологических заболеваний рентгеновские лучи стали использоваться не только для поиска злокачественных новообразований, но и для их лечения.Стоит также отметить, что открытие Рентгена оказалось настолько значимым и важным, что и по сей день, данные лучи используют во многих сферах жизни. Их активно применяют в ювелирном деле для определения подлинности драгоценных камней, в искусстве с их помощью можно быстро отличить подлинник от подделки. Важнейшую роль рентгеновские лучи играют в вопросах безопасности, ведь с их помощью на таможенных зонах и в аэропортах стало намного проще анализировать содержимое большого количества багажа на предмет оружия или взрывчатки. Также эти лучи применяются во многих сферах промышленности и науки, благодаря чему открытие Вильгельма Рентгена заслуженно можно считать одним из самых значимых достижений всех времен в области физики.
Положение на шкале электромагнитных волн
Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах , либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер . Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 эВ , что соответствует излучению с частотой от 3·10 16 Гц до 6·10 19 Гц и длиной волны 0,005 - 10 (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жёсткий рентген используется преимущественно в промышленных целях.
Получение
Схематическое изображение рентгеновской трубки. X - рентгеновские лучи, K - катод , А - анод (иногда называемый антикатодом), С - теплоотвод, U h - напряжение накала катода, U a - ускоряющее напряжение, W in - впуск водяного охлаждения, W out - выпуск водяного охлаждения (см. рентгеновская трубка).
Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул . Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. е. тормозное излучение) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли : где Z - атомный номер элемента анода, A и B - константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики , причём та их часть, куда ударяют электроны, - из молибдена .
В процессе ускорения-торможения лишь около 1 кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99 % энергии превращается в тепло.
Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц . Т. н. синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле , в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.
| Kα | Kα₁ | Kα₂ | Kβ₁ | Kβ₂ | |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,193735 | 0,193604 | 0,193998 | 0,17566 | 0,17442 | |
| 0,154184 | 0,154056 | 0,154439 | 0,139222 | 0,138109 | |
| 0,0560834 | 0,0559363 | 0,0563775 | |||
| 0,2291 | 0,22897 | 0,229361 | |||
| 0,179026 | 0,178897 | 0,179285 | |||
| 0,071073 | 0,07093 | 0,071359 | |||
| 0,0210599 | 0,0208992 | 0,0213813 | |||
| 0,078593 | 0,079015 | 0,070173 | 0,068993 | ||
| 0,165791 | 0,166175 | 0,15001 | 0,14886 |
Взаимодействие с веществом
Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей.
Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I 0 e -kd , где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z ³λ³, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).
Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния :
- Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения . Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции .
- Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах - т. н. комптоновское рассеяние . В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.
В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения - за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 Мэ В, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ)
Биологическое воздействие
Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни , лучевых ожогов и злокачественных опухолей . По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
Регистрация
- Эффект люминесценции . Рентгеновские лучи способны вызывать у некоторых веществ свечение (флюоресценцию ). Этот эффект используется в медицинской диагностике при рентгеноскопии (наблюдение изображения на флюоресцирующем экране) и рентгеновской съёмке (рентгенографии). Медицинские фотоплёнки , как правило, применяются в комбинации с усиливающими экранами, в состав которых входят рентгенолюминофоры, которые светятся под действием рентгеновского излучения и засвечивает светочувствительную фотоэмульсию. Метод получения изображения в натуральную величину называется рентгенографией. При флюорографии изображение получается в уменьшенном масштабе. Люминесцирующее вещество (сцинтиллятор) можно оптически соединить с электронным детектором светового излучения (фотоэлектронный умножитель , фотодиод и т. п.), полученный прибор называется сцинтилляционным детектором. Он позволяет регистрировать отдельные фотоны и измерять их энергию, поскольку энергия сцинтилляционной вспышки пропорциональна энергии поглощённого фотона.
- Фотографический эффект. Рентгеновские лучи, также как и обычный свет, способны напрямую засвечивать фотографическую эмульсию. Однако без флюоресцирующего слоя для этого требуется в 30-100 раз большая экспозиция (т.е. доза). Преимуществом этого метода (известного под названием безэкранная рентгенография) является бо́льшая резкость изображения.
- В полупроводниковых детекторах рентгеновские лучи производят пары электрон-дырка в p-n переходе диода , включённого в запирающем направлении. При этом протекает небольшой ток , амплитуда которого пропорциональна энергии и интенсивности падающего рентгеновского излучения. В импульсном режиме возможна регистрация отдельных рентгеновских фотонов и измерение их энергии.
- Отдельные фотоны рентгеновского излучения могут быть также зарегистрированы при помощи газонаполненных детекторов ионизирующего излучения (счётчик Гейгера , пропорциональная камера и др.).
Применение
При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей , а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентген). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z =20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z =1), углерода (Z =6), азота (Z =7), кислорода (Z =8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы , которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.
Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.)) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.
Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом .
Сноски
Ссылки
- И. П. Пулюй - Украинский исследователь рентгеновского излучения.
