ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

ДЪРЖАВНА УЧЕБНА ИНСТИТУЦИЯ

ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

МОСКОВСКИЯ ДЪРЖАВЕН ИНСТИТУТ ПО СТОМАНА И СПЛАВИ

(ТЕХНОЛОГИЧЕН УНИВЕРСИТЕТ)

НОВОТРОИЦК КЛОН

Отдел на OEND

КУРСОВА РАБОТА

Дисциплина: Физика

Тема: Рентгеново лъчение

Студент: Н. А. Недорезова

Група: EiU-2004-25, № З.К .: 04Н036

Проверено от: Ozhegova S.M.

Въведение

Глава 1. Откриване на рентгеново лъчение

1.1 Биография на Рентген Вилхелм Конрад

1.2 Откриване на рентгенови лъчи

Глава 2. Рентгенови лъчи

2.1 Източници на рентгенови лъчи

2.2 Свойства на рентгеновите лъчи

2.3 Регистрация на рентгенови лъчи

2.4 Приложение на рентгенови лъчи

Глава 3. Приложение на рентгеновите лъчения в металургията

3.1 Анализ на несъвършенствата на кристалната структура

3.2 Спектрален анализ

Заключение

Списък на използваните източници

Приложения

Въведение

Рядко се случва човек да не е минал през рентгенов кабинет. Рентгеновите снимки са познати на всички. През 1995 г. се навършват сто години от това откритие. Трудно е да си представим какъв голям интерес е предизвикала преди век. В ръцете на човек имаше апарат, с който той можеше да вижда невидимото.

Това невидимо лъчение, способно да проникне, макар и в различна степен, във всички вещества, което е електромагнитно излъчване с дължина на вълната от порядъка на 10-8 cm, се нарича рентгеново лъчение в чест на Вилхелм Рентген, който го е открил.

Като видима светлина Рентгеновпричинява почерняване на филма. Това свойство е важно за медицината, индустрията и научно изследване... Преминавайки през изследвания обект и след това попадайки върху фотографския филм, рентгеновото лъчение изобразява вътрешната му структура върху него. Тъй като проникващата сила на рентгеновото лъчение е различна за различните материали, части от обекта, които са по-малко прозрачни за него, дават по-светли области на снимката от тези, през които лъчението прониква добре. По този начин костната тъкан е по-малко прозрачна за рентгенови лъчи, отколкото тъканта, която изгражда кожата и вътрешните органи. Следователно на рентгеновата снимка костите ще бъдат обозначени като по-светли зони и мястото на фрактурата, което е по-малко прозрачно за радиация, може да бъде открито доста лесно. Рентгеновите изображения се използват и в стоматологията за откриване на кариеси и абсцеси в корените на зъбите, както и в индустрията за откриване на пукнатини в корнизи, пластмаси и гуми, в химията за анализ на съединения и във физиката за изследване на структурата на кристали.

Откриването на Рентген е последвано от експерименти на други изследователи, които откриват много нови свойства и приложения на тази радиация. Голям принос имат M. Laue, W. Friedrich и P. Knipping, които демонстрират през 1912 г. дифракцията на рентгеновото лъчение при преминаването му през кристал; У. Кулидж, който през 1913 г. изобретява високовакуумната рентгенова тръба с нагрят катод; G. Moseley, който установява през 1913 г. връзката между дължината на вълната на излъчване и атомния номер на елемента; G. и L. Braggi, които получават Нобелова награда през 1915 г. за разработването на основите на рентгеновите лъчи структурен анализ.

Целта на това срочна писмена работае изследване на феномена на рентгеновото лъчение, историята на откриването, свойствата и идентифицирането на обхвата на неговото приложение.

Глава 1. Откриване на рентгеново лъчение

1.1 Биография на Рентген Вилхелм Конрад

Вилхелм Конрад Рентген е роден на 17 март 1845 г. в областта на Германия, граничеща с Холандия, в град Ленепе. Получава техническото си образование в Цюрих в същото висше техническо училище (политехника), в което по-късно учи Айнщайн. Страстта към физиката го кара след като напуска училище през 1866 г., да продължи физическото си възпитание.

След като защитава дисертацията си за докторска степен през 1868 г., той работи като асистент в катедрата по физика първо в Цюрих, след това в Гисен, а след това в Страсбург (1874-1879) с Кунд. Тук Рентген преминава през добра експериментална школа и става първокласен експериментатор. Рентген извършва част от важното си изследване със своя ученик, един от основателите на съветската физика А.Ф. Йофе.

Научните изследвания са свързани с електромагнетизма, кристалната физика, оптиката, молекулярната физика.

През 1895 г. той открива излъчване с дължина на вълната, по-къса от дължината на вълната на ултравиолетовите лъчи (рентгенови лъчи), наречени по-късно рентгенови лъчи, и изследва техните свойства: способността да се отразяват, абсорбират, йонизират въздуха и т.н. Той предложи правилния дизайн на тръбата за получаване на рентгенови лъчи - наклонен платинен антикатод и вдлъбнат катод: първият направи снимки с помощта на рентгенови лъчи. Открива през 1885 г. магнитното поле на диелектрик, движещ се в електрическо поле (т.нар. "рентгенов ток"). Неговият опит ясно показва, че магнитното поле се създава от подвижни заряди и е важно за създаването на X. Електронна теория на Лоренц Свойства на течности, газове, кристали, електромагнитни явления, открива взаимовръзката на електрически и оптични явления в кристалите.За откриването на лъчите, носещи неговото име, Рентген през 1901 г. е първият сред физиците, удостоен с Нобелова награда .

От 1900 г. до последните дниживот (умира на 10 февруари 1923 г.), работи в Мюнхенския университет.

1.2 Откриване на рентгенови лъчи

Краят на 19 век е белязан от повишен интерес към явленията на преминаването на електричество през газове. Дори Фарадей сериозно изучава тези явления, описва различни форми на разряд, открива тъмно пространство в светещ стълб от разреден газ. Тъмното пространство на Фарадей разделя синкавото катодно сияние от розовото анодно.

По-нататъшното увеличаване на разреждането на газа значително променя характера на сиянието. Математикът Плукър (1801-1868) открива през 1859 г., при достатъчно силно разреждане, бледо синкав сноп лъчи, излизащи от катода, достигайки до анода и карайки стъклото на тръбата да свети. Ученикът на Plücker Gittorf (1824-1914) през 1869 г. продължава изследванията на учителя и показва, че върху флуоресцентната повърхност на тръбата се появява отчетлива сянка, ако между катода и тази повърхност се постави твърдо вещество.

Голдщайн (1850-1931), изучавайки свойствата на лъчите, ги нарича катодни лъчи (1876). Три години по-късно Уилям Крукс (1832-1919) доказа материалната природа на катодните лъчи и ги нарече "лъчиста материя" - вещество в специално четвърто състояние. Неговите доказателства бяха убедителни и ясни. Експерименти с "тръбата на Крукс" бяха демонстрирани. по-късно във всички кабинети по физика... Отклоняването на катоден лъч от магнитно поле в тръба на Крукс се превърна в класическа училищна демонстрация.

Експериментите върху електрическото отклонение на катодните лъчи обаче не бяха толкова убедителни. Херц не открива такова отклонение и стига до извода, че катодният лъч е осцилаторен процес в етера. Ученикът на Херц Ф. Ленард, експериментирайки с катодните лъчи, показа през 1893 г., че те преминават през прозорец, покрит с алуминиево фолио, и предизвикват сияние в пространството извън прозореца. Херц посвети последната си статия, публикувана през 1892 г., на феномена на преминаването на катодните лъчи през тънки метални тела. Тя започваше с думите:

„Катодните лъчи се различават значително от светлината по отношение на способността им да проникват в твърди тела.” Описвайки резултатите от експериментите за преминаване на катодните лъчи през злато, сребро, платина, алуминий и др. листа, Херц отбелязва, че е направил не се наблюдават особени разлики в явленията Лъчите не преминават през листата по права линия, а са дифракционно разпръснати. Природата на катодните лъчи все още беше неясна.

Именно с такива тръби на Крукс, Ленард и други професорът от Вюрцбург Вилхелм Конрад Рентген в края на 1895 г. експериментира с бариево синергично вещество, разположено близо до тръбата. Поразен от това обстоятелство, Рентген започна да експериментира с екрана. В първото си съобщение "За нов вид лъчи", датирано от 28 декември 1895 г., той пише за тези първи експерименти: проблясъци с ярка светлина при всеки разряд: започва да флуоресцира. Флуоресценцията се вижда с достатъчно засенчване и не зависи от това дали хартията се носи със страната, покрита с бариев синергизъм, или не е покрита с бариев синергизъм. Флуоресценцията се забелязва дори на разстояние от два метра от тръбата.

Внимателни изследвания показаха на Рентген, че „черният картон, който не е прозрачен за видимите и ултравиолетовите лъчи на слънцето или за лъчите на електрическата дъга, се прониква от някакъв агент, който причинява флуоресценция.” Рентген изследва проникващата сила на това " агент", който той нарече за кратки "рентгенови лъчи", за различни вещества Той установи, че лъчите преминават свободно през хартия, дърво, ебонит, тънки слоеве метал, но се забавят силно от олово.

След това той описва сензационното преживяване:

„Ако държите ръката си между изпускателната тръба и екрана, можете да видите тъмни сенки от кости в бледите очертания на сянката на самата ръка.” Това беше първото рентгеново изследване на човешкото тяло.

Тези снимки направиха огромно впечатление; откритието все още не беше завършено, но рентгеновата диагностика вече беше започнала своя път. „Моята лаборатория беше наводнена от лекари, които довеждаха пациенти, които подозираха, че имат игли в различни части на тялото си“, пише английският физик Шустър.

Още след първите експерименти Рентген твърдо установява, че рентгеновите лъчи са различни от катодните, те не носят заряд и не се отклоняват от магнитно поле, а се възбуждат от катодните лъчи. „Рентгеновите лъчи не са идентични с катодните лъчи, но се възбуждат от тях в стъклените стени на разрядната тръба. ”, - пише Рентген.

Той също така установи, че те се вълнуват не само в стъклото, но и в металите.

Позовавайки се на хипотезата на Херц-Ленард, че катодните лъчи „са явление, което се случва в етера“, Рентген посочва, че „можем да кажем нещо подобно за нашите лъчи“. Той обаче не успява да открие вълновите свойства на лъчите, те "се държат различно от познатите досега ултравиолетови, видими, инфрачервени лъчи." По своите химически и луминесцентни действия, според Рентген, те са подобни на ултравиолетовите лъчи. по-късно те могат да бъдат надлъжни вълни в етера.

Откритието на Рентген предизвиква голям интерес в научния свят. Неговите експерименти се повтарят в почти всички лаборатории по света. В Москва те бяха повторени от П.Н. Лебедев. В Санкт Петербург изобретателят на радиото A.S. Попов експериментира с рентгенови лъчи, демонстрира ги в публични лекции, получавайки различни рентгенови снимки. В Кеймбридж D.D. Томсън веднага използва йонизиращия ефект на рентгеновите лъчи, за да изследва преминаването на електричество през газове. Неговите изследвания доведоха до откриването на електрона.

Глава 2. Рентгенови лъчи

Рентгеново лъчение - електромагнитно йонизиращо лъчение, което заема спектралната област между гама и ултравиолетово лъчение в диапазона на дължината на вълната от 10 -4 до 10 3 (от 10 -12 до 10 -5 cm). л. с дължина на вълната λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - мека.

2.1 Източници на рентгенови лъчи

Най-често срещаният източник на рентгенови лъчи е рентгенова тръба - електровакуумно устройство служи като източник на рентгеново лъчение. Такова излъчване възниква, когато електроните, излъчвани от катода, се забавят и се сблъскват с анода (анти-катод); в този случай енергията на електроните, ускорени от силно електрическо поле в пространството между анода и катода, се превръща частично в енергията на рентгеновото лъчение. Излъчването на рентгеновата тръба е наслагването на спирачното рентгеново лъчение върху характерното излъчване на материала на анода. Рентгеновите тръби се разграничават: според метода за получаване на електронен поток - с термоелектронен (нагрят) катод, полеви емисионен (заострен) катод, катод, бомбардиран с положителни йони и с радиоактивен (β) електронен източник; по метода на евакуация - запечатани, сгъваеми; по време на излъчване - непрекъснато действие, импулсно; по вид анодно охлаждане - с водно, маслено, въздушно, радиационно охлаждане; според размера на фокуса (областта на излъчване при анода) - макрофокус, остър фокус и микрофокус; по формата си - пръстен, кръгъл, линеен; по метода на фокусиране на електрони върху анода - с електростатично, магнитно, електромагнитно фокусиране.

Рентгеновите тръби се използват при рентгеноструктурен анализ (Приложение 1), Рентгенов спектрален анализ, откриване на дефекти (Приложение 1), Рентгенова диагностика (Приложение 1) Рентгенова терапия , рентгенова микроскопия и микрорентгенография. Запечатаните рентгенови тръби с термионичен катод, анод с водно охлаждане и електростатична система за фокусиране на електрони са най-широко използвани във всички области (Приложение 2). Термионният катод на рентгеновите тръби обикновено е спирална или права нишка от волфрамова тел, нагрявана от електрически ток. Работната секция на анода - метална огледална повърхност - е разположена перпендикулярно или под ъгъл на потока на електроните. За получаване на непрекъснат спектър от високоенергийно и високоинтензивно рентгеново лъчение се използват аноди от Au, W; В структурния анализ се използват рентгенови тръби с Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Основните характеристики на рентгеновите тръби са максимално допустимото ускорително напрежение (1-500 kV), електронен ток (0,01 mA - 1A), специфична мощност, разсейвана от анода (10-10 4 W / mm 2), обща консумация на енергия (0,002 W - 60 kW) и размери на фокуса (1 μm - 10 mm). Ефективността на рентгеновата тръба е 0,1-3%.

Някои радиоактивни изотопи могат да служат и като източници на рентгенови лъчи. : някои от тях директно излъчват рентгенови лъчи, ядрената радиация на други (електрони или λ-частици) бомбардират метална мишена, която излъчва рентгенови лъчи. Интензитетът на рентгеновото лъчение от изотопни източници е с няколко порядъка по-нисък от интензитета на лъчението от рентгенова тръба, но размерите, теглото и цената на изотопните източници са несравнимо по-малки от тези на инсталациите с рентгенова тръба. лъчева тръба.

Синхротроните и пръстените за съхранение на електрони с енергия от няколко GeV могат да служат като източници на меки рентгенови лъчи с λ от порядъка на десетки и стотици. По интензитет рентгеновото лъчение на синхротроните надвишава излъчването на рентгенова тръба в посочения участък на спектъра с 2-3 порядъка.

Естествени източници на рентгенови лъчи са Слънцето и други космически обекти.

2.2 Свойства на рентгеновите лъчи

В зависимост от механизма на произход на рентгеновите лъчи, техните спектри могат да бъдат непрекъснати (инхибиторни) или линейни (характерни). Непрекъснатият рентгенов спектър се излъчва от бързо заредени частици в резултат на тяхното забавяне при взаимодействие с целеви атоми; този спектър достига значителен интензитет само когато целта е бомбардирана с електрони. Интензитетът на спирачните рентгенови лъчи се разпределя по всички честоти до високочестотната граница 0, при която енергията на фотона h 0 (h е константата на Планк ) е равна на енергията eV на бомбардиращите електрони (e е зарядът на електрона, V е потенциалната разлика на ускоряващото поле, преминало покрай тях). Тази честота съответства на късовълновия край на спектъра 0 = hc / eV (c е скоростта на светлината).

Линейното излъчване възниква след йонизация на атом с изхвърляне на електрон от една от вътрешните му обвивки. Тази йонизация може да бъде резултат от сблъсък на атом с бърза частица, като електрон (първични рентгенови лъчи), или поглъщане на фотон от атом (флуоресцентни рентгенови лъчи). Оказва се, че йонизиран атом е в начално квантово състояние на един от високи ниваенергия и след 10 -16 -10 -15 сек преминава в крайно състояние с по-малко енергия. В същото време един атом може да излъчва излишък от енергия под формата на фотон с определена честота. Честотите на линиите на спектъра на такова излъчване са характерни за атомите на всеки елемент, поради което линейният рентгенов спектър се нарича характеристика. Зависимостта на честотата на линиите в този спектър от атомния номер Z се определя от закона на Мозли.

Законът на Мозли, законът, свързващ честотата на спектралните линии на характерното рентгеново лъчение на химичен елемент с неговия пореден номер. Експериментално установено от G. Moseley през 1913 г. Съгласно закона на Мозли корен квадратен от честотата  на спектралната линия на характеристичното излъчване на елемент е линейна функция на неговия порядков номер Z:

където R е константата на Ридберг , S n - екранираща константа, n - главно квантово число. На диаграмата на Мозли (Приложение 3) зависимостта от Z е поредица от прави линии (K-, L-, M - и др. серии, съответстващи на стойностите n = 1, 2, 3,.).

Законът на Мозли беше неопровержимо доказателство за правилното разположение на елементите в периодичната таблица на елементите DI. Менделеев и помогна за изясняване на физическото значение на Z.

Според закона на Мозли, рентгеновите характеристични спектри не показват периодични модели, присъщи на оптичните спектри. Това показва, че вътрешните електронни обвивки на атомите на всички елементи, които се появяват в характерните рентгенови спектри, имат подобна структура.

По-късни експерименти разкриха някои отклонения от линейната зависимост за преходни групи елементи, свързани с промяна в реда на запълване на външните електронни обвивки, както и за тежки атоми, които се появяват в резултат на релативистки ефекти (условно обяснени с факта, че вътрешните скорости са сравними със скоростта на светлината).

В зависимост от редица фактори - от броя на нуклоните в ядрото (изотонично изместване), състоянието на външните електронни обвивки (химическо изместване) и др. - позицията на спектралните линии на диаграмата на Мозли може леко да се промени. Изучаването на тези измествания дава подробна информация за атома.

Рентгеновите лъчи на спирачно лъчение, излъчвани от много тънки мишени, са напълно поляризирани близо до 0; с намаляване на 0 степента на поляризация намалява. Характерното излъчване обикновено не е поляризирано.

Когато рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, може да възникне фотоелектричен ефект придружавайки поглъщането на рентгенови лъчи и тяхното разсейване, фотоефектът се наблюдава, когато атом, поглъщайки рентгенов фотон, изхвърля един от вътрешните си електрони, след което може или да направи радиационен преход чрез излъчване на фотон с характерно излъчване, или изхвърля втори електрон при нерадиационен преход (Електрон на Оже). Под действието на рентгенови лъчи върху неметални кристали (например каменна сол) в някои възли на атомната решетка се появяват йони с допълнителен положителен заряд, а близо до тях се появяват излишни електрони. Такива нарушения на структурата на кристалите, наречени рентгенови екситони , са цветни центрове и изчезват само при значително повишаване на температурата.

Когато рентгеновите лъчи преминават през слой от вещество с дебелина x, първоначалният им интензитет I 0 намалява до стойността I = I 0 e - μ x, където μ е коефициентът на затихване. Отслабването на I възниква поради два процеса: поглъщане на рентгенови фотони от материята и промяна в посоката им по време на разсейване. В дълговълновата област на спектъра преобладава поглъщането на рентгенови лъчи, в късовълновата - тяхното разсейване. Скоростта на усвояване нараства бързо с увеличаване на Z и λ. Например, твърдите рентгенови лъчи свободно проникват в слой въздух ~ 10 cm; алуминиева плоча с дебелина 3 cm отслабва рентгеновите лъчи с λ = 0,027 наполовина; меките рентгенови лъчи се абсорбират значително във въздуха и тяхното използване и изследване е възможно само във вакуум или в слабо абсорбиращ газ (например He). Когато рентгеновите лъчи се абсорбират, атомите на веществото йонизират.

Въздействието на рентгеновите лъчи върху живите организми може да бъде полезно и вредно в зависимост от причинената от тях йонизация в тъканите. Тъй като поглъщането на рентгеновите лъчи зависи от λ, тяхната интензивност не може да служи като мярка за биологичния ефект на рентгеновите лъчи. Количественото отчитане на ефекта на рентгеновите лъчи върху дадено вещество се извършва чрез рентгеново лъчение , единицата за измерване е рентгенова

Разсейването на рентгеновите лъчи в областта на големи Z и λ се случва главно без промяна на λ и се нарича кохерентно разсейване, докато в областта на малки Z и λ като правило се увеличава (некохерентно разсейване). Има 2 вида некохерентно разсейване на рентгенови лъчи – Комптън и Раман. При комптоновото разсейване, което има характера на нееластично корпускуларно разсейване, от обвивката на атома се излъчва електрон на откат поради частично загубената енергия от рентгеновия фотон. В този случай енергията на фотона намалява и посоката му се променя; промяната на λ зависи от ъгъла на разсейване. При рамановото разсейване на високоенергиен рентгенов фотон върху лек атом, малка част от енергията му се изразходва за йонизиране на атома и посоката на движението на фотона се променя. Промяната в такива фотони не зависи от ъгъла на разсейване.

Показателят на пречупване n за рентгеновите лъчи се различава от 1 с много малко количество δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5. Фазовата скорост на рентгеновите лъчи в среда е по-голяма от скоростта на светлината във вакуум. Отклонението на рентгеновите лъчи от една среда към друга е много малко (няколко дъгови минути). Когато рентгеновите лъчи от вакуум паднат върху повърхността на тялото под много малък ъгъл, настъпва тяхното пълно външно отражение.

2.3 Регистрация на рентгенови лъчи

Човешкото око не е чувствително към рентгенови лъчи. Рентгенов

лъчите се записват с помощта на специален рентгенов фотографски филм, съдържащ повишено количество Ag, Br. В района λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, чувствителността на обикновения положителен фотографски филм е доста висока и неговите зърна са много по-малки от зърната на рентгенов филм, което увеличава разделителната способност. При λ от порядъка на десетки и стотици рентгеновите лъчи действат само на най-тънките повърхностен слойфотоемулсии; за да се увеличи чувствителността на филма, той се сенсибилизира с луминисцентни масла. При рентгенова диагностика и откриване на дефекти понякога се използва електрофотография за регистриране на рентгенови лъчи. (електрорентгенография).

Рентгеновите лъчи с висок интензитет могат да бъдат записани с помощта на йонизационна камера (Приложение 4), рентгенови лъчи със среден и нисък интензитет при λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком с кристален NaI (Tl) (Приложение 5), при 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Приложение 6) и запечатан пропорционален уред (Приложение 7), на 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Приложение 8). В областта на много големи λ (от десетки до 1000) могат да се използват вторични електронни умножители от отворен тип с различни фотокатоди на входа за регистриране на рентгенови лъчи.

2.4 Приложение на рентгенови лъчи

Най-широко приложение на рентгеновите лъчи се намира в медицината за рентгенова диагностика. и рентгенова терапия . Важността наима рентгеново откриване на дефекти за много клонове на технологиите , например, за откриване на вътрешни дефекти в отливки (кухини, шлакови включвания), пукнатини в релси, дефекти в заварени шевове.

Рентгеноструктурен анализ ви позволява да установите пространственото подреждане на атомите в кристалната решетка на минерали и съединения, неорганични и органични молекули. Въз основа на множество вече дешифрирани атомни структури може да се реши и обратната задача: според рентгеновата дифракционна картина поликристално вещество, например легирана стомана, сплав, руда, лунна почва, може да се установи кристалният състав на това вещество, т.е. се извършва фазов анализ. Многобройните заявления на Р. на л. за изследване на свойствата на твърдите тела се извършва рентгенова дифракция на материалите .

Рентгенова микроскопия позволява например да се получи изображение на клетка, микроорганизъм, да се види тяхната вътрешна структура. Рентгенова спектроскопия Рентгеновите спектри изследват енергийното разпределение на плътността на електронните състояния в различни вещества, изучават природата химическа връзка, намира ефективния заряд на йони в твърди вещества и молекули. Рентгенов спектрален анализ според положението и интензитета на линиите на характерния спектър дава възможност за установяване на качествения и количествения състав на веществото и се използва за експресен неразрушителен контрол на състава на материалите в металургични и циментови заводи, обогатителни заводи . При автоматизирането на тези предприятия като сензори за състава на материята се използват рентгенови спектрометри и квантови метри.

Рентгеновите лъчи, идващи от космоса, носят информация за химичния състав на космическите тела и за физическите процеси, протичащи в космоса. Космическите рентгенови изследвания се занимават с рентгенова астрономия ... Мощните рентгенови лъчи се използват в радиационната химия за стимулиране на определени реакции, полимеризиране на материали и напукване на органични вещества. Рентгеновите лъчи се използват и за откриване на древни картини, скрити под слой от късна живопис, в хранителната индустрия за идентифициране на чужди предмети, случайно попаднали в храната, в криминалистиката, археологията и др.

Глава 3. Приложение на рентгеновите лъчения в металургията

Една от основните задачи на рентгеноструктурния анализ е да се определи материалният или фазовият състав на материала. Методът на рентгенова дифракция е лесен и се характеризира с висока надеждност, бързина и относителна евтиност. Методът не изисква Голям бройвещества, анализът може да се извърши без разрушаване на частта. Областите на приложение за качествен фазов анализ са много разнообразни както за научноизследователска и развойна дейност, така и за контрол на производството. Можете да проверите състава на изходните материали от металургичното производство, продуктите от синтеза, обработката, резултата от фазовите промени по време на термична и химико-термична обработка, да анализирате различни покрития, тънки филми и др.

Всяка фаза, притежаваща собствена кристална структура, се характеризира с определен набор от дискретни стойности на междуплоскостните разстояния d / n от максимума и отдолу, присъщи само на тази фаза. Както следва от уравнението на Улф-Браг, всяка стойност на междупланарното разстояние съответства на линия на рентгеновата дифракционна картина от поликристална проба под определен ъгъл θ (при дадена стойност на дължината на вълната λ). По този начин, определена система от линии (дифракционни максимуми) ще съответства на определен набор от междупланарни разстояния за всяка фаза в рентгеновата дифракционна картина. Относителният интензитет на тези линии в рентгеновата дифракционна картина зависи преди всичко от структурата на фазата. Следователно, след като се определи местоположението на линиите върху рентгеновата картина (неговия ъгъл θ) и знаейки дължината на вълната на радиацията, при която е взета рентгеновата картина, е възможно да се определят стойностите на междупланарните разстояния d / n с помощта на формулата на Улф-Браг:

/ n = λ / (2sin θ). (един)

След като се определи наборът от d / n за изследвания материал и се сравнява с предварително известните данни за d / n за чисти вещества, техните различни съединения, е възможно да се установи коя фаза е този материал... Трябва да се подчертае, че се определят фазите, а не химичният състав, но последният понякога може да бъде изведен, ако има допълнителни данни за елементния състав на дадена фаза. Задачата на качествения фазов анализ е значително улеснена, ако химичният състав на изследвания материал е известен, тъй като тогава е възможно да се направят предварителни предположения за възможните в такъв случайфази.

Ключът към фазовия анализ е точното измерване на d/n и интензитета на линията. Въпреки че по принцип това е по-лесно да се постигне с дифрактометър, фото методът за качествен анализ има някои предимства, предимно по отношение на чувствителността (способността да се забележи наличието на малко количество фаза в пробата), както и простотата на експерименталната техника.

Изчисляването на d / n от рентгеновата дифракционна картина се извършва с помощта на уравнението на Улф-Браг.

Като стойност на λ в това уравнение обикновено се използва λ α cf от K-серията:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) / 3 (2)

Понякога се използва линията K α1. Определянето на ъглите на дифракция θ за всички линии на рентгенови дифракционни модели ви позволява да изчислите d / n според уравнение (1) и да разделите β-линиите (ако няма филтър за (β-лъчи).

3.1 Анализ на несъвършенствата на кристалната структура

Всички реални монокристални и особено поликристални материали съдържат определени структурни несъвършенства (точкови дефекти, дислокации, от различни видовеинтерфейси, микро- и макронапрежения), които имат много силен ефект върху всички структурно-чувствителни свойства и процеси.

Структурните несъвършенства причиняват нарушения на кристалната решетка от различно естество и като следствие, различни видовепромени в дифракционната картина: промяната в междуатомните и междупланарните разстояния причинява изместване на дифракционните максимуми, микронапреженията и дисперсията на субструктурата водят до разширяване на дифракционните максимуми, микроизкривявания на решетката - до промяна в интензитета на тези максимуми, наличието на дислокации причинява аномални явления при преминаване на рентгенови лъчи и следователно локални нехомогенности на контрастните рентгенови топограми и др.

В резултат на това рентгеновият дифракционен анализ е един от най-информативните методи за изследване на структурните несъвършенства, техния вид и концентрация и естеството на тяхното разпространение.

Традиционният директен метод за дифракция на рентгенови лъчи, който се прилага на стационарни дифрактометри, поради техните конструктивни особености, дава възможност да се определят количествено напреженията и деформациите само върху малки проби, изрязани от части или предмети.

Ето защо в момента има преход от стационарни към преносими рентгенови дифрактометри с малки размери, които осигуряват оценка на напреженията в материала на части или предмети без разрушаване на етапите на тяхното производство и експлоатация.

Преносими рентгенови дифрактометри DRP * 1 серия позволяват наблюдение на остатъчни и експлоатационни напрежения в големи части, продукти и конструкции без разрушаване

Програмата в средата на Windows позволява не само да се определят напреженията по метода "sin 2 ψ" в реално време, но и да се следят промените във фазовия състав и текстура. Линеен координатен детектор осигурява едновременна регистрация при ъгли на дифракция 2θ = 43°. малки рентгенови тръби от типа "Лиза" с висока осветеност и ниска мощност(5 W) осигуряват радиологичната безопасност на устройството, при което на разстояние 25 cm от облъчената зона нивото на радиация е равно на нивото на естествения фон. Устройствата от серията DRP се използват за определяне на напреженията на различни етапи от обработката на метал чрез налягане, при рязане, шлайфане, термична обработка, заваряване, повърхностно втвърдяване с цел оптимизиране на тези технологични операции. Контролът върху спада на нивото на индуцираните остатъчни напрежения на натиск в особено критични продукти и конструкции по време на тяхната експлоатация позволява извеждането на продукта от експлоатация преди неговото унищожаване, предотвратявайки възможни аварии и бедствия.

3.2 Спектрален анализ

Наред с определянето на атомната кристална структура и фазовия състав на материала, за пълното му характеризиране е необходимо да се определи неговият химичен състав.

Все по-често за тези цели в практиката се използват различни т. нар. инструментални методи за спектрален анализ. Всеки от тях има своите предимства и области на приложение.

Едно от важните изисквания в много случаи е използваният метод да гарантира безопасността на анализирания обект; това са методите за анализ, които се обсъждат в този раздел. Следващият критерий за избор на методите за анализ, описани в този раздел, е тяхното местоположение.

Методът на флуоресцентен рентгенов спектрален анализ се основава на проникването на доста твърда рентгенова радиация (от рентгенова тръба) в анализирания обект, проникваща в слой с дебелина от порядъка на няколко микрометра. Характерното рентгеново лъчение, възникващо в този случай в обекта, дава възможност да се получат осреднени данни за неговия химичен състав.

За да определите елементния състав на веществото, можете да използвате анализа на характерния рентгенов спектър на проба, поставена върху анода на рентгенова тръба и подложена на електронно бомбардиране - емисионният метод или анализ на спектъра на вторичното (флуоресцентно) рентгеново лъчение на проба, изложена на силно рентгеново облъчване от рентгенова тръба или друг източник - флуоресцентен метод.

Недостатъкът на емисионния метод е, първо, необходимостта от поставяне на пробата върху анода на рентгеновата тръба, последвано от евакуация с вакуумни помпи; очевидно този метод е неподходящ за топими и летливи вещества. Вторият недостатък е, че дори огнеупорните обекти се повреждат от електронно бомбардиране. Флуоресцентният метод е лишен от тези недостатъци и следователно има много по-широко приложение. Предимството на флуоресцентния метод е и липсата на спирачно лъчение, което подобрява чувствителността на анализа. Сравнение на измерените дължини на вълните с таблици на спектралните линии химични елементипредставлява основата на качествения анализ, а относителните стойности на интензитета на спектралните линии на различни елементи, които образуват веществото на пробата, съставляват основата на количествения анализ. От разглеждането на механизма на възбуждане на характеристичното рентгеново лъчение става ясно, че излъчванията от определена серия (K или L, M и др.) възникват едновременно и съотношението на интензитетите на линиите в серията винаги е постоянно. Следователно наличието на този или онзи елемент се установява не от отделни линии, а от поредица от линии като цяло (с изключение на най-слабите, като се вземе предвид съдържанието на този елемент). За сравнително леки елементи се използва анализ на линии от К-серия, за тежки - линии от серия L; при различни условия (в зависимост от използваното оборудване и от анализираните елементи) различни области на характеристичния спектър могат да бъдат най-удобни.

Основните характеристики на рентгеновия спектрален анализ са както следва.

Опростеността на спектрите на рентгеновата характеристика дори за тежки елементи (в сравнение с оптичните спектри), което опростява анализа (малък брой линии; сходство в тяхната относителна позиция; с увеличение сериен номерима редовно изместване на спектъра към късовълновата област, сравнителна лекота на извършване на количествен анализ).

Независимост на дължините на вълната от състоянието на атомите на анализирания елемент (свободен или в химично съединение). Това се дължи на факта, че появата на характерно рентгеново лъчение се свързва с възбуждането на вътрешни електронни нива, които в повечето случаи практически не се променят със степента на йонизация на атомите.

Възможността за разделяне при анализа на редкоземни елементи и някои други елементи, които имат малки разлики в спектрите в оптичния диапазон поради сходството на електронната структура на външните обвивки и много малко се различават по своите химични свойства.

Рентгеновата флуоресцентна спектроскопия е „неразрушаваща“, така че има предимство пред конвенционалната оптична спектроскопия при анализ на тънки проби – тънък метален лист, фолио и др.

Рентгеновите флуоресцентни спектрометри станаха особено широко използвани в металургичните предприятия и сред тях са многоканални спектрометри или квантови измервателни уреди, които осигуряват бърз количествен анализ на елементи (от Na или Mg до U) с грешка под 1% от определената стойност , прагът на чувствителност е 10 -3 ... 10 -4% ...

рентгенов лъч

Методи за определяне на спектралния състав на рентгеновото лъчение

Спектрометрите са разделени на два вида: кристално-дифракционни и безкристални.

Разлагане на рентгенови лъчи в спектър с помощта на естествени дифракционна решетка- кристал - по същество аналогично на получаването на спектър от лъчи на обикновена светлина с помощта на изкуствена дифракционна решетка под формата на периодични щрихи върху стъкло. Условието за образуване на дифракционен максимум може да се запише като условие за "отражение" от система от паралелни атомни равнини, разделени на разстояние d hkl.

При провеждане на качествен анализ може да се прецени наличието на един или друг елемент в пробата по една линия - обикновено най-интензивната линия от спектрална серия, подходяща за даден кристален анализатор. Разделителната способност на спектрометрите за кристална дифракция е достатъчна за разделяне на характерните линии дори на елементи, съседни на позиция в периодичната таблица. Трябва обаче да се вземе предвид и налагането на различни линии от различни елементи, както и налагането на отражения от различни порядки. Това обстоятелство трябва да се има предвид при избора на аналитични линии. В същото време е необходимо да се използват възможностите за подобряване на разделителната способност на устройството.

Заключение

По този начин, рентгеновите лъчи са невидимо електромагнитно излъчване с дължина на вълната 10 5 - 10 2 nm. Рентгеновите лъчи могат да проникнат в някои материали, които са непрозрачни за видимата светлина. Те се излъчват при забавяне на бързи електрони в материята (непрекъснат спектър) и при преходи на електрони от външната електронна обвивка на атома към вътрешната (линеен спектър). Източници на рентгеново лъчение са: рентгенова тръба, някои радиоактивни изотопи, ускорители и устройства за съхранение на електрони (синхротронно лъчение). Приемници - фотографски филм, луминесцентни екрани, детектори за ядрено излъчване. Рентгеновите лъчи се използват в рентгенов структурен анализ, медицина, откриване на дефекти, рентгенов спектрален анализ и др.

Като обмисли положителни страниоткритието на В. Рентген, е необходимо да се отбележи вредния му биологичен ефект. Оказа се, че рентгеновите лъчи могат да причинят нещо като тежко слънчево изгаряне (еритема), придружено обаче от по-дълбоко и по-устойчиво увреждане на кожата. Появяващите се язви често се превръщат в рак. В много случаи трябваше да се ампутират пръсти или ръце. Имаше и смъртни случаи.

Установено е, че увреждането на кожата може да бъде избегнато чрез намаляване на времето и дозата на радиация чрез използване на екраниране (напр. олово) и дистанционно управление. Но постепенно се откриват други, по-дългосрочни ефекти от излагането на рентгенови лъчи, които след това са потвърдени и изследвани при опитни животни. Ефектите, дължащи се на действието на рентгеновите лъчи, както и други йонизиращи лъчения (като гама лъчение, излъчвано от радиоактивни материали) включват:

) временни промени в състава на кръвта след относително малък излишък на радиация;

) необратими промени в състава на кръвта (хемолитична анемия) след продължителна прекомерна експозиция;

) увеличаване на честотата на рак (включително левкемия);

) по-бързо стареене и ранна смърт;

) поява на катаракта.

Биологичният ефект на рентгеновата радиация върху човешкото тяло се определя от нивото на дозата на радиация, както и от това кой орган на тялото е бил изложен на радиация.

Натрупването на знания за въздействието на рентгеновите лъчения върху човешкия организъм доведе до разработването на национални и международни стандарти за допустими дози на облъчване, публикувани в различни справочни издания.

Да избегна вредни ефектиИзползват се методи за контрол на рентгеновата радиация:

) наличие на подходящо оборудване,

) наблюдение на спазването на правилата за безопасност,

) правилно използване на оборудването.

Списък на използваните източници

1) Блохин М.А., Физика на рентгеновите лъчи, 2-ро изд., М., 1957 г.;

) Blokhin M.A., Методи за рентгенови спектрални изследвания, M., 1959;

) Рентгенови лъчи. сб. изд. M.A. Блохин, прев. с него. и английски, М., 1960;

) Kharaja F., Общ курсРентгенови техници, 3 изд., М. - Л., 1966;

) Миркин Л.И., Наръчник по рентгеноструктурен анализ на поликристали, М., 1961;

) Weinstein E.E., Kahana M.M., Референтни таблици за рентгенова спектроскопия, M., 1953.

) Рентгенов и електрооптичен анализ. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н.: Учебник. Наръчник за университети. - 4-то изд. Добавете. И преработена. - М .: "МИСиС", 2002. - 360 с.

Приложения

Приложение 1

Общ изглед на рентгенови тръби

Приложение 2

Диаграма на рентгенова тръба за структурен анализ

Диаграма на рентгеновата тръба за структурен анализ: 1 - метална анодна чаша (обикновено заземена); 2 - берилиеви прозорци за изход на рентгеново лъчение; 3 - термионен катод; 4 - стъклена колба, която изолира анодната част на тръбата от катодната; 5 - катодни изводи, към които се прилага напрежението на нажежаемата жичка, както и високо (по отношение на анода) напрежение; 6 - електростатична система за фокусиране на електрони; 7 - анод (антикатод); 8 - разклонителни тръби за вход и изход на течаща вода, охлаждаща анодното стъкло.

Приложение 3

Диаграма на Мозли

Диаграма на Мозли за K-, L- и M-серии от характерни рентгенови лъчи. Абсцисата показва поредния номер на елемента Z, ордината - ( Се скоростта на светлината).

Приложение 4

Йонизационна камера.

Фиг. 1. Секция на цилиндричната йонизационна камера: 1 - цилиндричното тяло на камерата, което служи като отрицателен електрод; 2 - цилиндричен прът, служещ като положителен електрод; 3 - изолатори.

Ориз. 2. Схема на включване на токовата йонизационна камера: V - напрежение на електродите на камерата; G е галванометър, който измерва йонизационния ток.

Ориз. 3. Волт-амперна характеристика на йонизационната камера.

Ориз. 4. Схема на включване на импулсната йонизационна камера: С - капацитет на събирателния електрод; R - съпротивление.

Приложение 5

Сцинтилационен брояч.

Схема на сцинтилационен брояч: светлинни кванти (фотони) "избиват" електрони от фотокатода; движейки се от динод на динод, електронната лавина се умножава.

Приложение 6

Брояч на Гайгер - Мюлер.

Ориз. 1. Схема на стъклен брояч на Гайгер-Мюлер: 1 - херметически затворена стъклена тръба; 2 - катод (тънък меден слой върху тръба от неръждаема стомана); 3 - изход на катода; 4 - анод (тънка опъната нишка).

Ориз. 2. Схема на включване на брояча на Гайгер - Мюлер.

Ориз. 3. Бройна характеристика на брояча на Гайгер-Мюлер.

Приложение 7

Пропорционален брояч.

Верига на пропорционален брояч: а - област на електронен дрейф; b - област на усилване на газ.

Приложение 8

Полупроводникови детектори

Полупроводникови детектори; чувствителната зона е подчертана чрез щриховане; n - полупроводникова област с електронна проводимост, p - с отвор, i - с присъща проводимост; а - силициев детектор за повърхностна бариера; b - дрейф германий-литиев планарен детектор; в - литиев германиев коаксиален детектор.

Излъчва се с участието на електрони, за разлика от гама-лъчението, което е ядрено. Изкуствено рентгеновите лъчи се създават чрез силно ускоряване на заредените частици и чрез прехвърляне на електрони от едно енергийно ниво на друго, освобождавайки голямо количество енергия. Устройствата, които могат да се получат, са рентгенови тръби и ускорители на частици. Неговите естествени източници са радиоактивно нестабилни атоми и космически обекти.

История на откритията

Той е направен през ноември 1895 г. от Рентген, немски учен, който открива флуоресцентния ефект на бариево-платиновия цианид по време на работа на електронно-лъчева тръба. Той описва характеристиките на тези лъчи в някои подробности, включително способността им да проникват в жива тъкан. Те бяха наречени от учения рентгенови лъчи, името "рентгенови лъчи" се закрепи в Русия по-късно.

С какво се характеризира този вид радиация?

Логично е, че особеностите на това излъчване се дължат на неговата природа. Електромагнитната вълна е това, което представляват рентгеновите лъчи. Неговите свойства са както следва:

Рентгенови лъчи - вреда

Разбира се, по време на откриването му и дълги години след това никой не си е представял колко опасно е то.

В допълнение, примитивните устройства, произвеждащи тези електромагнитни вълни, генерираха високи дози поради незащитената си конструкция. Вярно е, че още тогава учените излагат предположения за опасността от тази радиация за хората. Преминавайки през живи тъкани, рентгеновите лъчи имат биологичен ефект върху тях. Основното влияние е йонизацията на атомите на веществата, които изграждат тъканите. Този ефект става най-опасният по отношение на ДНК на жива клетка. Ефектите от излагането на рентгенови лъчи са мутации, тумори, лъчеви изгаряния и лъчева болест.

Където се използват рентгенови лъчи

1. Лекарството. Рентгенова диагностика - "рентген" на живи организми. Рентгенова терапия - въздействие върху туморните клетки.
2. Науката. Кристалографията, химията и биохимията ги използват, за да разкрият структурата на веществото.
3. индустрия. Идентифициране на дефекти в метални части.
4. Безопасност. Рентгеновото оборудване се използва за откриване на опасни предмети в багажа на летищата и други места.

При изучаването и практическото използване на атомните явления един от критични ролиРентгеновите лъчи играят. Благодарение на техните изследвания са направени много открития и са разработени методи за анализ на вещества, които се използват в различни области. Тук ще разгледаме един от видовете рентгенови лъчи – характерни рентгенови лъчи.

Същността и свойствата на рентгеновите лъчи

Рентгеновото лъчение е високочестотна промяна в състоянието на електромагнитно поле, което се разпространява в пространството със скорост от около 300 000 km / s, тоест електромагнитни вълни. В скалата на обхвата на електромагнитното излъчване рентгеновите лъчи се намират в диапазона на дължината на вълната от приблизително 10 -8 до 5 ∙ 10 -12 метра, което е с няколко порядъка по-късо от оптичните вълни. Това съответства на честоти от 3 ∙ 10 16 до 6 ∙ 10 19 Hz и енергии от 10 eV до 250 keV, или 1,6 ∙ 10 -18 до 4 ∙ 10 -14 J. Трябва да се отбележи, че границите на честотните граници на електромагнитните лъчения са доста произволни поради тяхното припокриване.

Това е взаимодействието на ускорени заредени частици (високоенергийни електрони) с електрически и магнитни полета и с атоми на материята.

Рентгеновите фотони имат висока енергия и висок проникващ и йонизиращ капацитет, особено за твърди рентгенови лъчи с дължина на вълната по-малка от 1 нанометър (10 -9 m).

Рентгеновите лъчи взаимодействат с материята, йонизирайки нейните атоми, в процесите на фотоелектричен ефект (фотоабсорбция) и некохерентно (Комптон) разсейване. По време на фотоабсорбцията, рентгенов фотон, поглъщан от електрон на атом, предава енергия към него. Ако стойността му надвишава енергията на свързване на електрон в атом, тогава той напуска атома. Комптоновото разсейване е характерно за по-твърдите (енергийни) рентгенови фотони. Част от енергията на погълнатия фотон се изразходва за йонизация; докато под определен ъгъл спрямо посоката на първичния фотон, вторичният фотон се излъчва, с по-ниска честота.

Видове рентгеново лъчение. Спирачна радиация

За получаване на лъчите се използват стъклени вакуумни цилиндри с електроди, разположени вътре. Потенциалната разлика между електродите е много висока - до стотици киловолта. На волфрамов катод, нагрят от ток, термионна емисия, тоест от него се излъчват електрони, които, ускорени от потенциалната разлика, бомбардират анода. В резултат на взаимодействието им с атомите на анода (понякога се нарича антикатод) се генерират рентгенови фотони.

В зависимост от това кой процес води до производството на фотон, се разграничават такива видове рентгеново лъчение като спирачно и характерно излъчване.

Електроните могат, срещайки се с анода, да забавят, тоест да загубят енергия в електрическите полета на своите атоми. Тази енергия се излъчва под формата на рентгенови фотони. Такова излъчване се нарича спирачно лъчение.

Ясно е, че условията на спиране ще се различават за отделните електрони. Това означава, че различни количества от тяхната кинетична енергия се превръщат в рентгенови лъчи. В резултат на това спирачното лъчение включва фотони с различни честоти и съответно дължини на вълните. Следователно неговият спектър е непрекъснат (непрекъснат). Понякога поради тази причина се нарича още "бяло" рентгеново лъчение.

Енергията на спирачния фотон не може да надвишава кинетичната енергия на електрона, който го генерира, така че максималната честота (и най-малката дължина на вълната) на лъчението на спирачното лъчение съответства на най-голямата стойносткинетична енергия на електроните, падащи върху анода. Последното зависи от потенциалната разлика, приложена към електродите.

Има и друг вид рентгеново лъчение, чийто източник е различен процес. Това излъчване се нарича характеристично и ще се спрем на него по-подробно.

Как възникват характерните рентгенови лъчи

Достигайки антикатода, бърз електрон може да проникне в атома и да избие всеки електрон от една от по-ниските орбитали, тоест да прехвърли към него енергия, достатъчна за преодоляване на потенциалната бариера. Въпреки това, ако има по-високи енергийни нива в атома, зает от електрони, свободното пространство няма да остане празно.

Трябва да се помни, че електронната структура на атома, като всяка енергийна система, има тенденция да минимизира енергията. Вакантното място, образувано в резултат на нокаут, се запълва с електрон от едно от по-високите нива. Неговата енергия е по-висока и, заемайки по-ниско ниво, излъчва излишък под формата на квант от характерно рентгеново лъчение.

Електронната структура на атома е дискретен набор от възможни енергийни състояния за електроните. Следователно рентгеновите фотони, излъчвани по време на замяната на електронни свободни места, също могат да имат само строго определени енергийни стойности, отразяващи разликата в нивата. В резултат на това характерното рентгеново лъчение няма непрекъснат спектър, а спектър, подобен на линия. Такъв спектър дава възможност да се характеризира веществото на анода - оттук и името на тези лъчи. Именно поради спектралните разлики става ясно какво се има предвид под спирачно лъчение и характерни рентгенови лъчи.

Понякога излишната енергия не се излъчва от атома, а се изразходва за избиване на третия електрон. Този процес - така нареченият ефект на Оже - е по-вероятно да се случи, когато енергията на свързване на електрони не надвишава 1 keV. Енергията на освободения Оже електрон зависи от структурата на енергийните нива на атома, следователно спектрите на такива електрони също са дискретни.

Общ изглед на характеристичния спектър

Тесни характерни линии присъстват в рентгеновия спектрален модел заедно с непрекъснат спектър на спирачно лъчение. Ако представим спектъра като графика на интензитета спрямо дължината на вълната (честотата), ще видим остри пикове на местата на линиите. Тяхното положение зависи от материала на анода. Тези пикове присъстват при всяка потенциална разлика - ако има рентгенови лъчи, винаги има и пикове. С увеличаване на напрежението на тръбните електроди интензитетът както на непрекъснатото, така и на характерното рентгеново лъчение се увеличава, но местоположението на пиковете и съотношението на техните интензитети не се променят.

Пиковете в рентгеновите спектри имат еднакъв вид независимо от материала на антикатода, облъчен с електрони, но за различните материали те са разположени на различни честоти, комбинирайки се в серия според близостта на честотните стойности. Честотната разлика между самите серии е много по-значителна. Видът на максимумите не зависи по никакъв начин от това дали анодният материал е чист химичен елемент или сложно вещество. В последния случай характерните рентгенови спектри на съставните му елементи просто се наслагват един върху друг.

С увеличаване на серийния номер на химичен елемент всички линии на неговия рентгенов спектър се изместват към увеличаване на честотата. В този случай спектърът запазва формата си.

Законът на Мозли

Феноменът на спектралното изместване на характерните линии е експериментално открит от английския физик Хенри Мозли през 1913 г. Това му позволява да свърже честотите на максимумите на спектъра с серийните номера на химичните елементи. Така дължината на вълната на характерното рентгеново лъчение, както се оказа, може да бъде ясно свързана с определен елемент. V общ изгледЗаконът на Мозли може да се запише по следния начин: √f = (Z - S n) / n√R, където f е честотата, Z е поредният номер на елемента, S n е екраниращата константа, n е главното квантово число , а R е константата на Ридберг. Тази зависимост е линейна и на диаграмата на Мозли изглежда като поредица от прави линии за всяка стойност на n.

Стойностите n съответстват на отделни серии от характерни рентгенови пикове. Законът на Мозли позволява да се използват измерените стойности на дължините на вълната (те са уникално свързани с честотите) на максимумите на рентгеновия спектър, за да се установи поредният номер на химичен елемент, облъчен от твърди електрони.

Структурата на електронните обвивки на химичните елементи е идентична. Това се посочва от монотонността на промяната на срязването в характерния спектър на рентгеновото лъчение. Изместването на честотата отразява не структурни, а енергийни разлики между електронните обвивки, които са уникални за всеки елемент.

Ролята на закона на Мозли в атомната физика

Има малки отклонения от строгата линейна връзка, изразена от закона на Мозли. Те са свързани, първо, с особеностите на реда на запълване на електронните обвивки на някои елементи и, второ, с релативистичните ефекти от движението на електроните на тежките атоми. Освен това, с промяна в броя на неутроните в ядрото (така нареченото изотопно изместване), положението на линиите може леко да се промени. Този ефект даде възможност да се проучи подробно атомната структура.

Значението на закона на Мозли е изключително голямо. Последователното му прилагане към елементите на периодичната система на Менделеев установява закономерността на нарастването на поредния номер, съответно, за всяко малко изместване на характерните максимуми. Това помогна да се изясни въпросът за физическото значение на редовния номер на елементите. Стойността на Z не е просто число: това е положителният електрически заряд на ядрото, който е сумата от единичните положителни заряди на частиците, които го съставят. Правилното разположение на елементите в таблицата и наличието на празни позиции в нея (тогава те все още съществуваха) получиха мощно потвърждение. Доказана е валидността на периодичния закон.

Законът на Мозли, освен това, стана основата, върху която възникна цяла област на експериментални изследвания - рентгенова спектрометрия.

Структурата на електронните обвивки на атома

Нека си припомним накратко как е структурирана електронната структура, която се състои от обвивки, обозначени с буквите K, L, M, N, O, P, Q или числа от 1 до 7. Електроните в обвивката се характеризират със същия принцип квантово число n, което определя възможните стойности на енергията. Във външните обвивки енергията на електроните е по-висока и йонизационният потенциал за външните електрони съответно е по-нисък.

Обвивката включва едно или повече поднива: s, p, d, f, g, h, i. Във всяка обвивка броят на поднивата се увеличава с едно спрямо предишното. Броят на електроните във всяко подниво и във всяка обвивка не може да надвишава определена стойност. Те се характеризират, освен главното квантово число, със същата стойност на орбиталата, която определя формата на електронния облак. Поднивата се обозначават с индикация на обвивката, към която принадлежат, например 2s, 4d и т.н.

Поднивото съдържа, които освен основното и орбиталното се определят от друго квантово число - магнитно, което определя проекцията на орбиталния момент на електрона върху посоката на магнитното поле. Една орбитала може да има не повече от два електрона, които се различават по стойността на четвъртото квантово число - спиновото.

Нека разгледаме по-подробно как възниква характерното рентгеново лъчение. Тъй като произходът на този тип електромагнитно излъчване е свързан с явления, възникващи вътре в атома, най-удобно е да се опише в приближението на електронните конфигурации.

Механизъм за генериране на характерно рентгеново лъчение

И така, причината за появата на това излъчване е образуването на електронни свободни места във вътрешните черупки, поради проникването на високоенергийни електрони дълбоко в атома. Вероятността твърд електрон да взаимодейства нараства с увеличаване на плътността на електронните облаци. Следователно сблъсъците най-вероятно са в плътно опаковани вътрешни черупки, като най-ниската K черупка. Тук атомът се йонизира и в обвивката 1s се образува празно място.

Това празно място се запълва с електрон от обвивка с по-висока енергия, чийто излишък се отвежда от рентгенов фотон. Този електрон може да "падне" от втората обвивка L, от третата M и т.н. Така се образува характерна поредица, в този пример- K-серия. Индикация за това откъде идва електронът, който е запълнил вакантното място, е даден под формата на гръцки индекс в обозначението на серията. Алфа означава, че идва от L-черупката, бета означава M-черупката. В момента има тенденция гръцките буквени индекси да се заменят с латински, използвани за обозначаване на черупки.

Интензитетът на алфа линията в серията винаги е най-висок, което означава, че вероятността за запълване на свободно място от съседна обвивка е най-висока.

Сега можем да отговорим на въпроса каква е максималната квантова енергия на характерното рентгеново лъчение. Определя се от разликата в енергийните стойности на нивата, между които се осъществява преходът на електрон, съгласно формулата E = E n 2 - E n 1, където E n 2 и E n 1 са енергиите на електронното държави, между които е извършен преходът. Най-високата стойност на този параметър се дава от преходите на K-серията от най-високите нива на атоми на тежки елементи. Но интензитетът на тези линии (върхови височини) е най-малък, тъй като те са най-малко вероятни.

Ако поради недостатъчно напрежение на електродите твърд електрон не може да достигне K-нивото, той образува празно място на L-ниво и се образува по-малко енергична L-серия с дълги дължини на вълната. Следващите сериали се раждат по подобен начин.

Освен това, когато се запълни свободно място в резултат на електронен преход, в горната обвивка се появява ново място. Това създава условия за генериране на следващата серия. Електронните свободни места се движат по-високо от ниво на ниво и атомът излъчва каскада от характерни спектрални серии, като същевременно остава йонизиран.

Фина структура на характеристичните спектри

Атомните рентгенови спектри на характерните рентгенови лъчи се характеризират с фина структура, която се проявява, както в оптичните спектри, в разделяне по линия.

Фината структура се дължи на факта, че енергийното ниво - електронната обвивка - е набор от близко разположени компоненти - подобвивки. За характеризиране на подобвивките се въвежда още една, вътрешното квантово число j, което отразява взаимодействието на вътрешните и орбиталните магнитни моменти на електрона.

Поради влиянието на спин-орбиталното взаимодействие енергийната структура на атома се усложнява и в резултат на това характерното рентгеново лъчение има спектър, който се характеризира с разцепени линии с много близко разположени елементи.

Обичайно е да се обозначават елементи от фина структура с допълнителни цифрови индекси.

Характерното рентгеново лъчение има характеристика, отразена само във фината структура на спектъра. Преходът на електрон към по-ниско енергийно ниво не се осъществява от долната подобвивка на по-високото ниво. Вероятността за такова събитие е незначителна.

Използване на рентгенови лъчи в спектрометрията

Това излъчване, поради своите характеристики, описани от закона на Мозли, е в основата на различни рентгенови спектрални методи за анализ на вещества. При анализ на рентгеновия спектър се използват или дифракция на излъчване от кристали (вълново-дисперсионен метод), или детектори, които са чувствителни към енергията на погълнатите рентгенови фотони (енергийно-дисперсионен метод). Повечето електронни микроскопи са оборудвани с някакъв вид рентгенови спектрометрични приставки.

Дисперсионната спектрометрия на дължината на вълната е особено точна. С помощта на специални филтри се разграничават най-интензивните пикове в спектъра, поради което е възможно да се получи практически монохроматично излъчване с точно известна честота. Анодният материал е внимателно подбран, за да се осигури получаването на монохроматичен лъч с желаната честота. Неговата дифракция върху кристалната решетка на изследваното вещество дава възможност да се изследва структурата на решетката с голяма точност. Този метод се използва и при изследване на ДНК и други сложни молекули.

Една от характеристиките на характерното рентгеново лъчение също се взема предвид в гама спектрометрията. Това е високата интензивност на характерните пикове. В гама спектрометрите се използва оловна защита срещу външна фонова радиация, която пречи на измерванията. Но оловото, поглъщащо гама квантите, изпитва вътрешна йонизация, в резултат на което активно излъчва в рентгеновия диапазон. За поглъщане на интензивните максимуми на характерното рентгеново лъчение на оловото се използва допълнителна кадмиева екранировка. Той от своя страна се йонизира и също излъчва рентгенови лъчи. За неутрализиране на характерните пикове на кадмий се използва трети екраниращ слой - мед, чиито рентгенови максимуми са извън работния честотен диапазон на гама спектрометъра.

Спектрометрията използва както спирачно лъчение, така и характерни рентгенови лъчи. Така че, когато се анализират вещества, спектрите на абсорбция на непрекъснати рентгенови лъчи се изследват от различни вещества.

Откритието и заслугите в изследването на основните свойства на рентгеновите лъчи с право принадлежат на немския учен Вилхелм Конрад Рентген. Невероятните свойства на откритите от него рентгенови лъчи веднага получиха огромен резонанс в научния свят. Въпреки че тогава, през далечната 1895 г., ученият едва ли е могъл да предположи каква полза, а понякога и вреда, могат да донесат рентгеновите лъчи.

Нека разберем в тази статия как този вид радиация влияе на човешкото здраве.

Какво е рентген

Първият въпрос, който интересуваше изследователя, беше какво е рентгеново лъчение? Редица експерименти позволиха да се уверим, че това е електромагнитно излъчване с дължина на вълната 10 -8 cm, което заема междинно положение между ултравиолетовото и гама лъчението.

Рентгенови приложения

Всички тези аспекти на разрушителното въздействие на мистериозните рентгенови лъчи изобщо не изключват изненадващо обширните аспекти на тяхното използване. Къде се използва рентгеново лъчение?

1. Изучаване на структурата на молекулите и кристалите.
2. Рентгеново откриване на дефекти (в индустрията, откриване на дефекти в продукти).
3. Методи на медицинско изследване и терапия.

Най-важните приложения на рентгеновото лъчение стават възможни благодарение на много късите дължини на вълните на целия диапазон на тези вълни и техните уникални свойства.

Тъй като се интересуваме от ефекта на рентгеновото лъчение върху хора, които се сблъскват с него само по време на медицински преглед или лечение, по-нататък ще разгледаме само тази област на приложение на рентгеновите лъчи.

Приложение на рентгеновото лъчение в медицината

Въпреки особеното значение на своето откритие, Рентген не е получил патент за използването му, което го прави безценен подарък за цялото човечество. Още през Първата световна война са използвани рентгенови инсталации, които позволяват бързо и точно диагностициране на ранените. В момента има две основни области на приложение на рентгеновите лъчи в медицината:

• рентгенова диагностика;
• Рентгенова терапия.

Рентгенова диагностика

Рентгеновата диагностика се използва по различни начини:

Нека да разберем разликата между тези методи.

Всички тези диагностични методи се основават на способността на рентгеновите лъчи да осветяват фотографския филм и на тяхната различна пропускливост за тъканите и костния скелет.

Рентгенова терапия

Способността на рентгеновите лъчи да оказват биологичен ефект върху тъканите се използва в медицината за лечение на тумори. Йонизиращият ефект на това лъчение се проявява най-активно в ефекта върху бързо делящите се клетки, които са клетките на злокачествените тумори.

Все пак трябва да сте наясно със страничните ефекти, които неизбежно съпътстват рентгеновата терапия. Факт е, че клетките на хематопоетичната, ендокринната и имунната система също се делят бързо. Отрицателното въздействие върху тях поражда признаци на лъчева болест.

Ефектът на рентгеновите лъчи върху хората

Скоро след забележителното откритие на рентгеновите лъчи, беше открито, че рентгеновите лъчи имат ефект върху хората.

Тези данни са получени от експерименти върху опитни животни, но генетиците предполагат, че подобни последици могат да се отнасят и за човешкото тяло.

Изследването на последствията от рентгеновото облъчване направи възможно развитието международни стандартиза допустимите дози на радиация.

Рентгенови дози за рентгенова диагностика

След посещение на рентгеновия кабинет много пациенти изпитват безпокойство - как получената доза радиация ще се отрази на здравето им?

Общата доза радиация на тялото зависи от естеството на извършваната процедура. За удобство ще сравним получената доза с естествената радиация, която придружава човек през целия му живот.

1. Рентгенография: гръден кош – получената доза радиация е еквивалентна на 10 дни фоново облъчване; горна част на стомаха и тънките черва - 3 години.
2. Компютърна томография на коремните и тазовите органи, както и на цялото тяло - 3 години.
3. Мамография - 3 месеца.
4. Рентгеновите лъчи на крайниците са практически безвредни.
5. По отношение на денталните рентгенови лъчи дозата на радиация е минимална, тъй като пациентът е изложен на тясно насочен рентгенов лъч с кратка продължителност на облъчване.

Тези дози радиация отговарят на приемливите стандарти, но ако пациентът се чувства тревожен преди рентгеновата снимка, той има право да поиска специална защитна престилка.

Излагане на рентгенови лъчи при бременни жени

Всеки човек е принуден да се подложи на рентгеново изследване няколко пъти. Но има правило - този диагностичен метод не може да се предписва на бременни жени. Развиващият се ембрион е изключително уязвим. Рентгеновите лъчи могат да причинят хромозомни аномалии и в резултат на това раждане на деца с дефекти в развитието. Най-уязвим в това отношение е гестационният период до 16 седмици. Освен това най-опасното за бъдещото бебе е рентгеновата снимка на гръбначния стълб, таза и коремната област.

Знаейки за вредното въздействие на рентгеновите лъчи върху бременността, лекарите по всякакъв начин избягват да го използват през този решаващ период от живота на жената.

Има обаче странични източници на рентгенови лъчи:

• електронни микроскопи;
• кинескопи на цветни телевизори и др.

Бъдещите майки трябва да са наясно с опасността, която крият от тях.

За кърмещите майки рентгеновата диагностика не е опасна.

Какво да правя след рентгенова снимка

За да избегнете дори най-малките ефекти от излагането на рентгенови лъчи, можете да предприемете няколко прости стъпки:

• след рентгеновата снимка изпийте чаша мляко - премахва малки дози радиация;
• много удобна чаша сухо вино или гроздов сок;
• известно време след процедурата е полезно да се увеличи делът на храни с високо съдържание на йод (морски дарове).

Но не са необходими медицински процедури или специални мерки за отстраняване на радиацията след рентгенова снимка!

Въпреки несъмнено сериозните последици от излагането на рентгенови лъчи, тяхната опасност по време на медицински прегледи не бива да се надценява - те се извършват само на определени части на тялото и то много бързо. Ползите от тях са в пъти по-големи от риска от тази процедура за човешкия организъм.

Рентгеновите лъчи играят огромна роля в съвременната медицина; историята на откриването на рентгеновите лъчи датира от 19 век.

Рентгеновите лъчи са електромагнитни вълни, които се генерират с участието на електрони. Когато заредените частици са силно ускорени, се генерират изкуствени рентгенови лъчи. Преминава през специално оборудване:

• ускорители на частици.

История на откритията

Тези лъчи са изобретени през 1895 г. от немския учен Рентген: докато работи с електронно-лъчева тръба, той открива флуоресцентния ефект на платинено-цианидния барий. След това имаше описание на такива лъчи и тяхната удивителна способност да проникват в тъканите на тялото. Лъчите започнаха да се наричат ​​рентгенови лъчи (рентгенови лъчи). По-късно в Русия те бяха наречени рентгенови.

Рентгеновите лъчи могат да проникнат дори през стените. Така Рентген осъзна, че е направил най-голямото откритие в областта на медицината. От това време те започнаха да се формират отделни секциив наука като радиология и радиология.

Лъчите са в състояние да проникнат в меките тъкани, но се забавят, дължината им се определя от препятствието на твърдата повърхност. Меките тъкани в човешкото тяло са кожата, а твърдите са костите. През 1901 г. ученият е удостоен с Нобелова награда.

Въпреки това, още преди откритието на Вилхелм Конрад Рентген, други учени се интересуваха от подобна тема. През 1853 г. френският физик Антоан-Филибер Мейсън изучава високоволтов разряд между електродите в стъклена тръба. Газът, който съдържаше, започна да излъчва червеникаво сияние при ниско налягане. Изпомпването на излишния газ от тръбата доведе до разпадането на сиянието в сложна последователност от отделни светещи слоеве, чийто нюанс зависи от количеството газ.

През 1878 г. Уилям Крукс (английски физик) предполага, че флуоресценцията възниква от въздействието на лъчите върху стъклената повърхност на тръбата. Но всички тези изследвания не са публикувани никъде, така че Рентген не е знаел за подобни открития. След публикуването на откритията му през 1895 г. в научно списание, където ученият пише, че всички тела са прозрачни за тези лъчи, макар и в много различна степен, други учени се интересуват от подобни експерименти. Те потвърдиха изобретяването на Рентген и започна по-нататъшното развитие и усъвършенстване на рентгеновите лъчи.

Самият Вилхелм Рентген публикува още две научна работапо темата за рентгеновите лъчи през 1896 и 1897 г., след което се захваща с други дейности. Така няколко учени изобретиха, но именно Рентген публикува научни трудове по този въпрос.

Принципи на придобиване на изображение

Характеристиките на това излъчване се определят от самата природа на външния им вид. Радиацията възниква поради електромагнитна вълна. Основните му свойства са:

1. Отражение. Ако вълната удари повърхността перпендикулярно, тогава тя няма да бъде отразена. В някои ситуации диамантът има свойството да отразява.
2. Способността да проникват в тъканите. Освен това лъчите могат да преминават през непрозрачни повърхности на материали като дърво, хартия и др.
3. Абсорбируемост. Абсорбцията зависи от плътността на материала: колкото е по-плътен, толкова повече рентгеновите лъчи го абсорбират.
4. Някои вещества имат флуоресценция, тоест сияние. Веднага след като емисията спре, сиянието също преминава. Ако продължава и след прекратяване на действието на лъчите, тогава този ефект се нарича фосфоресценция.
5. Рентгеновите лъчи могат да осветяват фотографския филм, както и видимата светлина.
6. Ако лъчът премина през въздуха, тогава в атмосферата настъпва йонизация. Това състояние се нарича електропроводимо и се определя с помощта на дозиметър, който задава мощността на дозата за радиация.

Радиация - вреда и полза

Когато откритието било направено, физикът Рентген дори не можел да си представи колко опасно е неговото изобретение. В старите времена всички устройства, произвеждащи радиация, далеч не са съвършени и в резултат на това се получават големи дози изстреляни лъчи. Хората не разбираха опасностите от такова излъчване. Въпреки че някои учени вече тогава излагат версии за опасностите от рентгеновите лъчи.

Рентгеновите лъчи, проникващи в тъканите, имат биологичен ефект върху тях. Единицата за измерване на дозата на радиация е рентген на час. Основният ефект е върху йонизиращите атоми, които са вътре в тъканите. Тези лъчи действат директно върху ДНК структурата на жива клетка. Последиците от неконтролирана радиация включват:

• клетъчна мутация;
• появата на тумори;
• радиационни изгаряния;
• лъчева болест.

Противопоказания за рентгенови изследвания:

1. Пациенти в тежко състояние.
2. Период на бременност поради отрицателно въздействиевърху плода.
3. Пациенти с кървене или открит пневмоторакс.

Как действа рентгеновата снимка и къде се прилага

1. В медицината. Рентгеновата диагностика се използва за сканиране на живи тъкани с цел идентифициране на определени нарушения в тялото. За елиминиране на туморни образувания се извършва рентгенова терапия.
2. В науката. Разкрива се структурата на веществата и естеството на рентгеновите лъчи. Тези въпроси се занимават с такива науки като химия, биохимия, кристалография.
3. В индустрията. За откриване на нарушения в метални изделия.
4. За безопасността на населението. Инсталирани рентгенови лъчи на летища и др на обществени местас цел сканиране на багаж.

Медицинска употреба на рентгеново лъчение. Рентгеновите лъчи се използват широко в медицината и денталната медицина за следните цели:

1. За диагностициране на заболявания.
2. За наблюдение на метаболитните процеси.
3. За лечение на много заболявания.

Използването на рентгенови лъчи за медицински цели

Освен за откриване на костни фрактури, рентгеновите лъчи се използват широко за медицински цели. Специализираното използване на рентгенови лъчи е за постигане на следните цели:

1. За убиване на ракови клетки.
2. За намаляване на размера на тумора.
3. За намаляване на болката.

Например, радиоактивният йод, използван за ендокринологични заболявания, се използва активно за рак на щитовидната жлеза, като по този начин помага на много хора да се отърват от това ужасно заболяване. В момента за диагностициране на сложни заболявания, рентгеновите лъчи са свързани с компютри, в резултат на това има най-новите техникиизследвания като компютърна аксиална томография.

Това сканиране предоставя на лекарите цветни изображения, които показват вътрешните органи на човек. За идентифициране на работата вътрешни органидостатъчна е малка доза радиация. Рентгеновите лъчи също се използват широко във физиотерапията.

Основни свойства на рентгеновите лъчи

1. Проникваща способност. Всички тела са прозрачни за рентгеновия лъч, а степента на прозрачност зависи от дебелината на тялото. Благодарение на това свойство лъчът започна да се използва в медицината за откриване на работата на органите, наличието на фрактури и чужди тела в тялото.
2. Те са в състояние да накарат някои обекти да светят. Например, ако барий и платина се нанесат върху картон, тогава, след преминаване през лъч сканиране, той ще свети зеленикаво-жълто. Ако поставите ръката си между рентгеновата тръба и екрана, тогава светлината ще проникне повече в костта, отколкото в тъканта, следователно, костната тъкан ще бъде показана по-ярко на екрана, а мускулната тъкан по-малко ярко.
3. Действие върху фотографски филм. Рентгеновите лъчи могат, подобно на светлината, да направят филма тъмен, това ви позволява да снимате сенчестата страна, която се получава, когато се изследват рентгенови лъчи на тела.
4. Рентгеновите лъчи могат да йонизират газове. Това дава възможност не само да се намерят лъчи, но и да се разкрие тяхната интензивност чрез измерване на йонизационния ток в газа.
5. Те имат биохимичен ефект върху организма на живите същества. Поради това свойство рентгеновите лъчи са намерили широко приложение в медицината: те могат да лекуват както кожни заболявания, така и заболявания на вътрешните органи. В този случай се избират необходимата доза радиация и продължителността на лъчите. Дългосрочната и прекомерна употреба на такова лечение е много вредна и вредна за организма.

Много животи са спасени в резултат на използването на рентгенови лъчи. Рентгеновата снимка помага не само да се диагностицира заболяването навреме, методите на лечение с използване на лъчева терапия облекчават пациентите от различни патологии, като се започне от хиперфункция на щитовидната жлеза и се завършва със злокачествени тумори на костната тъкан.