Röntgensugárzás

Röntgensugárzás  - elektromágneses hullámok , amelyek fotonenergiája az ultraibolya sugárzás és a gamma sugárzás közötti elektromágneses hullámok skáláján helyezkedik el ( ~ 10 eV -tól több MeV-ig), ami ~ 10 3 és ~ 10 −2 Å közötti hullámhosszoknak felel meg (~10 2 -től ~ 10-3 nm -ig ) [1] .

Pozíció az elektromágneses hullámok skáláján

A röntgen- és gamma-sugárzás energiatartománya széles energiatartományban fedi egymást. Mindkét típusú sugárzás elektromágneses sugárzás , és azonos fotonenergiával egyenértékű. A terminológiai különbség az előfordulási módban rejlik - a röntgensugárzás elektronok (akár atomokban kötött, akár szabad) részvételével, míg a gamma-sugárzás az atommagok degerjesztési folyamataiban bocsát ki . A röntgensugárzás karakterisztikus (azaz az atomok elektronhéjában történő átmenetek során kibocsátott) fotonok energiája 10  eV és 250 keV között van, ami 3⋅10 16 és 3⋅10 19 Hz frekvenciájú sugárzásnak felel meg . 0,005-100  nm hullámhossz ( általánosan elismert meghatározás szerint a hullámhossz-skálán nincs alsó határa a röntgensugár tartományának). A lágy röntgensugárzást a legalacsonyabb fotonenergia és sugárzási frekvencia (és a leghosszabb hullámhossz), míg a kemény röntgensugárzás a legmagasabb fotonenergiával és sugárzási frekvenciával (és a legrövidebb hullámhosszal) rendelkezik. A kemény röntgensugárzást elsősorban ipari célokra használják. A lágy és kemény röntgensugárzás közötti feltételes határ a hullámhossz-skálán körülbelül 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .  

Laboratóriumi források

Röntgencsövek

A röntgensugarak a töltött részecskék erős felgyorsulásából ( bremsstrahlung ) vagy az atomok vagy molekulák elektronhéjában végbemenő nagy energiájú átmenetekből származnak . Mindkét hatást röntgencsövekben használják . Az ilyen csövek fő szerkezeti elemei egy fémkatód és egy anód (korábban antikatódnak is nevezték ) . A röntgencsövekben a katódból kibocsátott elektronok felgyorsulnak az anód és a katód közötti elektromos potenciálkülönbség hatására (nem bocsátanak ki röntgensugarakat, mert a gyorsulás túl kicsi), és eltalálják az anódot, ahol hirtelen lelassulnak. Ebben az esetben a röntgentartományban folyamatos spektrummal bremsstrahlung keletkezik , és egyidejűleg az elektronok kiütődnek az anódatomok belső elektronhéjából. Az atom többi elektronja a külső héjából a héjban lévő üres helyekre (üres helyekre) jut át, ami röntgensugárzás kibocsátásához vezet az anód anyagára jellemző vonali energiaspektrummal ( karakterisztikus sugárzás , amelynek frekvenciáját Moseley határozza meg törvénye : ahol Z  az anódelem rendszáma , A és B az elektronhéj n  főkvantumszámának egy bizonyos értékéhez tartozó állandók ). Jelenleg az anódok főként kerámiából készülnek , és az a rész, ahol az elektronok ütköznek, molibdénből vagy rézből készül .

A gyorsulás-lassítás során az elektron mozgási energiájának csak körülbelül 1 % -a jut röntgensugárzáshoz, az energia 99%-a alakul hővé.

Részecskegyorsítók

Röntgensugárzás részecskegyorsítókban is nyerhető . Az úgynevezett szinkrotronsugárzás akkor jön létre, amikor egy mágneses térben lévő részecskék nyalábja eltérül , aminek következtében a mozgásukra merőleges irányú gyorsulást tapasztalnak. A szinkrotron sugárzás folytonos spektrumú , felső határértékkel. Megfelelően megválasztott paraméterekkel (a mágneses tér nagysága és a részecskék energiája) röntgensugárzás is nyerhető a szinkrotron sugárzás spektrumában.

Kölcsönhatás anyaggal

A röntgensugarak hullámhossza összemérhető az atomok méretével, így nincs olyan anyag, amelyből röntgenlencsét lehetne készíteni . Ezen túlmenően, ha a röntgensugárzás merőlegesen esik a felületre, szinte nem verődnek vissza. Ennek ellenére a röntgenoptikában módszereket találtak a röntgensugárzás optikai elemeinek megalkotására. Különösen az derült ki, hogy a gyémánt jól tükrözi őket [3] .

A röntgensugarak áthatolhatnak az anyagon, és a különböző anyagok eltérően szívják el őket. A röntgensugárzás abszorpciója a legfontosabb tulajdonságuk a röntgenfotózásban. A röntgensugarak intenzitása exponenciálisan csökken az elnyelő rétegben megtett úttól függően ( I = I 0 e -kd , ahol d  a rétegvastagság, a k együttható Z ³λ³ -vel arányos, Z az  elem rendszáma , λ  a hullámhossz).

Az abszorpció a fotoabszorpció ( fotoelektromos hatás ) és a Compton-szórás eredményeként következik be :

• Fotoabszorpció alatt azt a folyamatot értjük , amely során egy elektront kiütünk az atom héjából egy foton által, ami megköveteli, hogy a foton energiája nagyobb legyen egy bizonyos minimális értéknél. Ha figyelembe vesszük az abszorpciós aktus valószínűségét a foton energiájától függően, akkor egy bizonyos energia elérésekor az (valószínűség) meredeken megnő a maximális értékig. Nagyobb energiák esetén a valószínűség folyamatosan csökken. Emiatt a függőség miatt azt mondják, hogy van egy abszorpciós határ . Az abszorpciós aktus során kiütött elektron helyét egy másik elektron foglalja el, miközben kisebb fotonenergiájú sugárzást bocsát ki, az ún. fluoreszcens folyamat .
• A röntgenfoton nem csak kötött elektronokkal, hanem szabad és gyengén kötött elektronokkal is kölcsönhatásba léphet. Az elektronokon fotonszóródás van - az ún. Compton szórás . A szórási szögtől függően a foton hullámhossza bizonyos mértékben megnő, és ennek megfelelően az energia csökken. A Compton-szórás a fotoabszorpcióhoz képest nagyobb fotonenergiáknál válik uralkodóvá [4] .

Biológiai hatás

A röntgensugárzás ionizáló hatású . Hatással van az élő szervezetek szöveteire, és sugárbetegséget , égési sérüléseket és rosszindulatú daganatokat okozhat . Emiatt a röntgensugárzással végzett munka során védőintézkedéseket kell tenni . Úgy gondolják, hogy a károsodás egyenesen arányos az elnyelt sugárdózissal. A röntgensugárzás mutagén tényező.

Regisztráció

• Lumineszcencia hatás . A röntgensugarak egyes anyagok izzását (fluoreszcenciát) okozhatják. Ezt a hatást az orvosi diagnosztikában használják fluoroszkópia (a kép megfigyelése fluoreszcens képernyőn) és röntgenfotózás ( radiográfia ) során. Az orvosi fényképészeti filmeket általában erősítő képernyőkkel kombinálják, amelyek röntgen foszforokat tartalmaznak, amelyek a röntgensugárzás hatására világítanak, és megvilágítják a fényérzékeny emulziót . Az életnagyságú kép készítésének módszerét radiográfiának nevezik. Fluorográfiával a képet csökkentett léptékben kapjuk. Egy lumineszcens anyag ( szcintillátor ) optikailag csatlakoztatható egy elektronikus fénydetektorhoz ( fotosokszorozó cső , fotodióda stb.), az így kapott eszközt szcintillációs detektornak nevezzük . Lehetővé teszi az egyes fotonok regisztrálását és energiájuk mérését, mivel a szcintillációs villanás energiája arányos az elnyelt foton energiájával.
• fényképészeti hatás. A röntgensugarak, valamint a közönséges fény képesek közvetlenül megvilágítani a fényképészeti emulziót. A fluoreszkáló réteg nélkül azonban ehhez az expozíció (vagyis a dózis) 30-100-szorosára van szükség. Ennek a módszernek (ez a képernyő nélküli radiográfia ) előnye, hogy a kép élesebb.
• A félvezető detektorokban a röntgensugarak elektronlyuk párokat hoznak létre a blokkoló irányban csatlakoztatott dióda pn átmenetében . Ebben az esetben kis áram folyik , amelynek amplitúdója arányos a beeső röntgensugárzás energiájával és intenzitásával. Impulzus üzemmódban lehetőség van egyes röntgenfotonok regisztrálására és energiájuk mérésére.
• Az egyes röntgenfotonok is regisztrálhatók gázzal töltött ionizáló sugárzás detektorokkal ( Geiger-számláló , arányos kamra stb.).

Alkalmazás

• Röntgen segítségével "megvilágosíthatja" az emberi testet, melynek eredményeként képet kaphat a csontokról , valamint modern műszerekben és belső szervekben (lásd még radiográfia és fluoroszkópia ). Ez azt a tényt használja fel, hogy a főleg csontokban található kalcium elem ( Z = 20 ) rendszáma sokkal nagyobb, mint a lágyszöveteket alkotó elemek, nevezetesen a hidrogén ( Z = 1 ), a szén ( Z = 6 ) rendszáma. ), nitrogén ( Z = 7 ), oxigén ( Z = 8 ). A hagyományos eszközökön kívül, amelyek a vizsgált tárgy kétdimenziós vetítését adják, vannak számítógépes tomográfok , amelyek lehetővé teszik a belső szervek háromdimenziós képének elkészítését.

• A termékek (sínek, hegesztési varratok stb.) hibáinak röntgensugárzással történő észlelését röntgenhiba-detektálásnak nevezik .

• Az anyagtudományban , a krisztallográfiában , a kémiában és a biokémiában a röntgensugárzást az anyagok atomi szintű szerkezetének tisztázására használják a röntgensugárzás kristályok általi diffrakciós szórásával ( röntgendiffrakciós elemzés ). Híres példa erre a DNS szerkezetének meghatározása .

• A röntgensugarak segítségével meghatározható az anyag kémiai összetétele. Elektronsugaras mikroszondában (vagy elektronmikroszkópban ) a vizsgált anyagot elektronokkal sugározzák be, miközben az atomok ionizálódnak és jellegzetes röntgensugárzást bocsátanak ki . Az elektronok helyett röntgensugárzás is használható. Ezt az analitikai módszert röntgenfluoreszcencia analízisnek nevezik .

• A repülőtereken aktívan használják a röntgen-televíziós introszkópokat , amelyek lehetővé teszik a kézipoggyász és a poggyász tartalmának megtekintését , hogy vizuálisan észleljék a veszélyes tárgyakat a monitor képernyőjén.

• A röntgenterápia a sugárterápia  egy része , amely a 20-60 kV -os röntgencsőfeszültségen és 3-7 cm -es bőr fókusztávolságon (rövid ) előállított röntgensugárzás terápiás alkalmazásának elméletét és gyakorlatát fedi le. -tartományú sugárterápia) vagy 180-400 kV feszültségen és 30-150 cm -es bőr fókusztávolságon (távsugárterápia). A röntgenterápiát elsősorban felületesen elhelyezkedő daganatok és néhány egyéb betegség, köztük bőrbetegségek esetén végzik (Bucca ultralágy röntgenfelvételei).

• A kriptográfia véletlenszerű sorozatok generálása.

Természetes röntgensugárzás

A Földön a röntgentartományba eső elektromágneses sugárzás az atomok radioaktív bomlás során fellépő sugárzás általi ionizációja, a magreakciók során fellépő gamma-sugárzás Compton-hatása , valamint a kozmikus sugárzás eredményeként jön létre. . A radioaktív bomlás röntgenkvantumok közvetlen kibocsátásához is vezet, ha a bomló atom elektronhéjának átrendeződését okozza (például elektronbefogás során ). A más égitesteken fellépő röntgensugárzás nem éri el a Föld felszínét , mivel azt teljesen elnyeli a légkör . Műholdas röntgenteleszkópok , például Chandra és XMM-Newton tanulmányozzák .

Ezenkívül 1953-ban szovjet tudósok felfedezték, hogy a tribolumineszcencia révén röntgensugarak keletkezhetnek , amely vákuumban azon a ponton lép fel, ahol a ragasztószalag leválik a hordozóról, például az üvegről, vagy amikor egy tekercset letekernek [5] ] [6] [7] . 2008-ban amerikai tudósok kísérleteket végeztek, amelyek kimutatták, hogy bizonyos esetekben a sugárzási teljesítmény elegendő ahhoz, hogy röntgenképet fotópapíron hagyjon [5] [8] .

Felfedezési előzmények

A röntgensugarakat Wilhelm Konrad Roentgen fedezte fel . Kísérleti katódsugarakat tanulmányozva 1895. november 8-án este észrevette, hogy a katódsugárcső közelében lévő bárium-platina -cianiddal bevont karton világítani kezd egy sötét szobában. A következő néhány hét során tanulmányozta az újonnan felfedezett sugárzás összes alapvető tulajdonságát, amelyet röntgensugárzásnak ( "röntgensugarak" ) nevezett el. 1895. december 22- én Roentgen a Würzburgi Egyetem Fizikai Intézetében tette közzé első nyilvános bejelentését felfedezéséről [9] . 1895. december 28- án a Würzburgi Physico-Medical Society folyóiratában [10] jelent meg Roentgen cikke "Az új típusú sugarakról" címmel .

Nikola Tesla azonban még nyolc évvel azelőtt is – 1887 -ben – feljegyezte naplójában a röntgensugárzás és az általuk kibocsátott bremsstrahlung vizsgálatának eredményeit , de sem Tesla, sem környezete nem tulajdonított komoly jelentőséget ezeknek a megfigyeléseknek. Ezen túlmenően, a Tesla már akkor felvetette az emberi testre gyakorolt ​​hosszan tartó röntgensugárzás veszélyét . .

Egyes, csak 1896-ban megjelent tudósítások [11] [12] és a rájuk hivatkozó források [13] szerint a fotokémiai hatású sugarakat 11 évvel Röntgen előtt írta le a bakui reáliskola Egor igazgatója és fizikatanára. Szemjonovics Kamenszkij [ 14] (1838-1895), a fotográfia szerelmesei bakui körének elnöke. Ennek a körnek a titkára , A. M. Michon állítólag a fényképezés területén is végzett kísérleteket, hasonlóan a röntgensugárzáshoz. A Szovjetunió Tudományos Akadémia Fizikai és Matematikai Tudományok Történeti Bizottságának 1949. február 22-i ülésén a prioritás kérdésének mérlegelése eredményeként azonban olyan döntés született, amely „elismerte a kérdésben rendelkezésre álló anyagot. Mivel a röntgensugarak felfedezése nem elegendő Kamensky prioritásának igazolásához, kívánatosnak tartja a szilárdabb és megbízhatóbb adatok keresésének folytatását” [15]

Egyes források [13] Ivan Pavlovics Pulyui ukrán fizikust nevezik meg a röntgensugarak felfedezőjeként , aki 10 évvel a felfedezés Röntgen általi publikálása előtt kezdett érdeklődni a vákuumcsövekben történő kisülések iránt. E kijelentések szerint Pulyui olyan sugarakat vett észre, amelyek áthatolnak az átlátszatlan tárgyakon, és megvilágítják a fényképészeti lemezeket. 1890-ben állítólag kapott, sőt európai magazinokban is publikált fényképeket egy béka csontvázáról és egy gyermekkézről, de nem tanulmányozta tovább a sugarakat és nem kapott szabadalmat [13] . Ezt a véleményt cáfolja R. Gaida és R. Plyatsko Pulyunak szentelt monográfiája [16] , ahol e legenda eredetét és fejlődését részletesen elemzik, valamint más fizikatörténeti munkák [17] . Puluy valóban nagyban hozzájárult a röntgensugarak fizikájának tanulmányozásához és alkalmazási módszereihez (például ő volt az első, aki felfedezte az elektromos vezetőképesség megjelenését a röntgensugárzással besugárzott gázokban), de miután Röntgen felfedezése [16] .

A katódsugárcsövet, amelyet Roentgen a kísérletei során használt, J. Hittorf és W. Kruks fejlesztette ki . Ez a cső röntgensugarakat termel. Ezt Heinrich Hertz és tanítványa, Philip Lenard kísérletei mutatták be a fényképezőlapok megfeketítésén keresztül. . Azonban egyikük sem ismerte fel felfedezésének jelentőségét, és nem publikálta eredményeit.

Emiatt Roentgen nem tudott az előtte tett felfedezésekről, és önállóan fedezte fel a sugarakat - miközben megfigyelte a katódsugárcső működése során fellépő fluoreszcenciát. Roentgen valamivel több mint egy évig (1895. november 8-tól 1897. márciusig) tanulmányozta a röntgensugárzást , és három tanulmányt publikált róluk, amelyek az új sugarak kimerítő leírását tartalmazták. Ezt követően követőinek több száz, majd 12 év alatt megjelent munkája nem tudott semmi lényegeset sem hozzátenni, sem változtatni. Röntgen, aki elvesztette érdeklődését a röntgensugarak iránt, azt mondta kollégáinak: "Már mindent leírtam, ne pazarolja az idejét." Roentgen hírnevéhez hozzájárult Albert von Kölliker kezéről készült híres fénykép is , amelyet cikkében közölt (lásd a jobb oldali képet). A röntgensugarak felfedezéséért Roentgen 1901 - ben megkapta az első fizikai Nobel-díjat , és a Nobel-bizottság hangsúlyozta felfedezésének gyakorlati jelentőségét. Más országokban a Röntgen preferált nevét használják - röntgensugárzás , bár az oroszhoz hasonló kifejezéseket ( angol  Roentgen rays stb.) is használnak. Oroszországban a sugarakat V. K. Roentgen diákja - Abram Fedorovich Ioffe kezdeményezésére "röntgennek" kezdték el nevezni .

Lásd még

• Röntgen-fluoreszcencia analízis
• Röntgen optika
• Röntgenszkenner visszaszórás alapján
• A fedélzeten röntgen- és gammadetektorokkal rendelkező űrhajók listája

Non-fiction irodalom

• Zsdanov G.S. röntgen . - Moszkva - Leningrád: Műszaki és elméleti irodalom állami kiadója, 1949. - 33 p.
• Vlasov P.V. Beszélgetések a röntgensugarakról . - Moszkva: Ifjú Gárda, 1977. - 222 p.

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 Blokhin M.A. Röntgensugárzás // Fizikai enciklopédia  : [5 kötetben] / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 375-377. - 704 p. - 40.000 példány.  - ISBN 5-85270-087-8 .
2. ↑ Deslattes RD et al. X-Ray Transition Energies Database: NIST Standard Reference Database 128 Archiválva : 2019. február 12. a Wayback Machine -nél . 2005. szeptember. DOI:10.18434/T4859Z.
3. ↑ Jurij Erin. A gyémánt nagy fényvisszaverő képessége a kemény röntgensugárzás tartományában megerősítést nyert . Elemek – Tudományos hírek (2010. március 3.). Letöltve: 2010. május 11. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 27.. (határozatlan)
4. ↑ X-ray Scattering by Layered Nanosystems with Rough Interfaces Archiválva : 2014. december 29. a Wayback Machine -nél . – Nanorendszerek, 2012
5. ↑ 1 2 A ragasztószalagról kiderült, hogy a röntgensugárzás forrása . Tudomány és Technológia . Lenta.ru (2008. október 23.). Letöltve: 2020. július 6. Az eredetiből archiválva : 2008. október 24. (Orosz)
6. ↑ Karasev V. V., Krotova N. A., Deryagin B. V. Az elektronemisszió vizsgálata, amikor egy nagy polimertartalmú filmet vákuumban választanak le az üvegről  // A Szovjetunió Tudományos Akadémiájának jelentései. - M. , 1953. - T. 88 , 5. sz . - S. 777-780 . (Orosz)
7. ↑ Karasev V. V., Krotova N. A., Deryagin B. V. Gázkisülés vizsgálata, amikor egy nagy polimer tartalmú fóliát leválasztanak egy szilárd bélésről  // A Szovjetunió Tudományos Akadémiájának jelentései. - M. , 1953. - T. 89 , 1. sz . - S. 109-112 . (Orosz)
8. ↑ Kenneth Chang. Scotch Tape szabadjára engedi a röntgensugár  erejét . The New York Times (2008. október 23.). Letöltve: 2020. július 6. Az eredetiből archiválva : 2017. szeptember 30.
9. ↑ Manolov K., Tyutyunnik V. Az atom életrajza. Atom - Cambridge-től Hirosimáig. - Átdolgozott sáv. bolgárból .. - M . : Mir , 1984. - S. 17-18. — 246 p.
10. ↑ W.C. Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
11. ↑ " Természet és emberek ". - 1896. 28. sz.
12. ↑ Kaszpi-tenger. - Újság. - Baku, 1896.
13. ↑ 1 2 3 Házi radiológia (elérhetetlen link) . Röntgen diagnosztika . Hozzáférés dátuma: 2019. február 16. Az eredetiből archiválva : 2012. április 17. (határozatlan) 
14. ↑ Egyes forrásokban tévesen Eugene-nek nevezik.
15. ↑ A Fizikai és matematikai tudományok történetével foglalkozó bizottságban  // A Szovjetunió Tudományos Akadémiájának értesítője. - 1949. - T. 19 , sz. 4 . - S. 83-84 .
16. ↑ 1 2 Gaida R., Plyatsko R. Ivan Pulyuy. 1845-1918: Zhittєpisno-bіblіografichny naris / Sevcsenkoról elnevezett tudományos partnerség Lvov mellett / Oleg Kupchinsky (kiadva a szerk.). — Lviv. - 1998. - 284 p. - (Az NPSh főnökei; 7). — Az obkl. a szerző nincs hozzárendelve. — ISBN 5-7707-8500-4 .
17. ↑ Fialkov L. Ivan Pulyuy soha nem kért levelet Roentgentől  (ukrán)  // Bulletin of NASU. - 1996. - VIP. 9-10 . - S. 93-95 .

Linkek

• Röntgencsöves oldal
• A röntgendiagnosztika alapjai (német)
• A hazai szűrőberendezések fejlesztésének szakaszai  - a cikk nagy része a röntgen-televíziós introszkópokról beszél (főleg repülőtereken használt röntgenberendezés a poggyász átvilágításához ).

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy katalán nagy kínai nagy kínai nagy kínai Nagy norvég Nagy orosz Brockhaus és Efron a világ körül a világ körül Kis Brockhaus és Efron Britannica (online) Universalis Universalis
Bibliográfiai katalógusokban BNF : 119510960 GND : 4129728-3 J9U : 987007529626905171 LCCN : sh85148749 NDL : 00561905 NKC : ph125192