AGENCIA FEDERAL PARA LA EDUCACIÓN DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA
INSTITUCIÓN EDUCATIVA DEL ESTADO
EDUCACIÓN PROFESIONAL SUPERIOR
INSTITUTO ESTATAL DEL ACERO Y ALEACIONES DE MOSCÚ
(UNIVERSIDAD DE TECNOLOGIA)
SUCURSAL NOVOTROITSKY
Departamento de OEND
TRABAJO DEL CURSO
Disciplina: Física
Tema: RAYOS X
Estudiante: Nedorezova N.A.
Grupo: EiU-2004-25, No. З.К.: 04Н036
Comprobado por: Ozhegova S.M.
Introducción
Capítulo 1
1.1 Biografía de Roentgen Wilhelm Conrad
1.2 Descubrimiento de los rayos X
Capitulo 2
2.1 fuentes de rayos X
2.2 Propiedades de los rayos X
2.3 Registro de rayos X
2.4 Uso de rayos X
Capítulo 3
3.1 Análisis de las imperfecciones de la estructura cristalina
3.2 Análisis de espectro
Conclusión
Lista de fuentes utilizadas
Aplicaciones
Introducción
Una persona rara no ha pasado por una sala de rayos x. Las imágenes tomadas en rayos X son familiares para todos. En 1995, este descubrimiento cumplió 100 años. Es difícil imaginar el gran interés que despertó hace un siglo. En manos de un hombre resultó ser un aparato con el que era posible ver lo invisible.
Esta radiación invisible capaz de penetrar, aunque en diferente grado, en todas las sustancias, que es una radiación electromagnética con una longitud de onda de unos 10 -8 cm, se denominó radiación de rayos X, en honor a Wilhelm Roentgen, quien la descubrió.
como la luz visible rayos X provoca el ennegrecimiento de la película. Esta propiedad es de gran importancia para la medicina, la industria y investigación científica. Al pasar a través del objeto bajo estudio y luego caer sobre la película, la radiación de rayos X representa su estructura interna en ella. Dado que el poder de penetración de la radiación de rayos X es diferente para diferentes materiales, las partes del objeto que son menos transparentes dan áreas más brillantes en la fotografía que aquellas a través de las cuales la radiación penetra bien. Por lo tanto, los tejidos óseos son menos transparentes a los rayos X que los tejidos que forman la piel y los órganos internos. Por lo tanto, en la radiografía, los huesos se indicarán como áreas más claras y el sitio de la fractura, que es menos transparente para la radiación, se puede detectar con bastante facilidad. Las imágenes de rayos X también se utilizan en odontología para detectar caries y abscesos en las raíces de los dientes, así como en la industria para detectar grietas en piezas fundidas, plásticos y cauchos, en química para analizar compuestos y en física para estudiar la estructura de los cristales. .
El descubrimiento de Roentgen fue seguido por experimentos de otros investigadores que descubrieron muchas nuevas propiedades y posibilidades para el uso de esta radiación. M. Laue, W. Friedrich y P. Knipping hicieron una contribución importante, quienes en 1912 demostraron la difracción de los rayos X cuando pasan a través de un cristal; W. Coolidge, quien en 1913 inventó un tubo de rayos X de alto vacío con un cátodo calentado; G. Moseley, quien estableció en 1913 la relación entre la longitud de onda de la radiación y el número atómico de un elemento; G. y L. Braggy, quienes recibieron el Premio Nobel en 1915 por desarrollar los fundamentos de los rayos X. análisis estructural.
Esta Papel a plazo es estudiar el fenómeno de la radiación de rayos x, la historia del descubrimiento, propiedades e identificar el ámbito de su aplicación.
Capítulo 1
1.1 Biografía de Roentgen Wilhelm Conrad
Wilhelm Conrad Roentgen nació el 17 de marzo de 1845 en la región fronteriza de Alemania con Holanda, en la ciudad de Lenepe. Recibió su educación técnica en Zúrich en la misma Escuela Técnica Superior (Politécnica) donde Einstein estudió más tarde. La pasión por la física lo obligó después de dejar la escuela en 1866 a continuar la educación física.
En 1868 defendió su tesis para el grado de Doctor en Filosofía, trabajó como ayudante en el Departamento de Física, primero en Zúrich, luego en Giessen, y luego en Estrasburgo (1874-1879) con Kundt. Aquí Roentgen pasó por una buena escuela experimental y se convirtió en un experimentador de primera clase. Roentgen realizó parte de la importante investigación con su alumno, uno de los fundadores de la física soviética, A.F. Ioffe.
La investigación científica se relaciona con el electromagnetismo, la física de los cristales, la óptica y la física molecular.
En 1895 descubrió la radiación con una longitud de onda más corta que la longitud de onda de los rayos ultravioleta (rayos X), más tarde llamados rayos X, e investigó sus propiedades: la capacidad de reflejar, absorber, ionizar el aire, etc. Propuso el diseño correcto del tubo para la obtención de rayos X - un anticátodo de platino inclinado y un cátodo cóncavo: fue el primero en tomar fotografías usando rayos X. Descubrió el campo magnético de un dieléctrico que se mueve en un campo eléctrico (la llamada "corriente roentgen") en 1885. Su experiencia mostró claramente que un campo magnético se crea mediante cargas en movimiento, y fue importante para la creación de X. Lorentz. teoría electrónica.Un número significativo de los trabajos de Roentgen están dedicados al estudio de las propiedades de los líquidos, gases, cristales, fenómenos electromagnéticos, descubrió la relación entre los fenómenos eléctricos y ópticos en los cristales.Por el descubrimiento de los rayos que llevan su nombre, Roentgen en 1901 fue el primero de los físicos en recibir el Premio Nobel.
Desde 1900 hasta últimos días vida (murió el 10 de febrero de 1923), trabajó en la Universidad de Munich.
1.2 Descubrimiento de los rayos X
Finales del siglo XIX estuvo marcado por un mayor interés en los fenómenos del paso de la electricidad a través de los gases. Incluso Faraday estudió seriamente estos fenómenos, describió varias formas de descarga, descubrió un espacio oscuro en una columna luminosa de gas enrarecido. El espacio oscuro de Faraday separa el brillo catódico azulado del brillo anódico rosado.
Un aumento adicional en la rarefacción del gas cambia significativamente la naturaleza del resplandor. El matemático Plücker (1801-1868) descubrió en 1859, a una rarefacción suficientemente fuerte, un haz de rayos débilmente azulado que emanaba del cátodo, llegaba al ánodo y hacía que el vidrio del tubo brillara. El alumno de Plücker, Gittorf (1824-1914), en 1869 continuó la investigación de su maestro y demostró que aparece una sombra distinta en la superficie fluorescente del tubo si se coloca un cuerpo sólido entre el cátodo y esta superficie.
Goldstein (1850-1931), estudiando las propiedades de los rayos, los llamó rayos catódicos (1876). Tres años más tarde, William Crookes (1832-1919) demostró la naturaleza material de los rayos catódicos y los llamó "materia radiante", una sustancia en un cuarto estado especial. Su evidencia fue convincente y clara. Se demostraron los experimentos con el "tubo de Crookes". posteriormente en todas las aulas físicas. La desviación del haz catódico por un campo magnético en un tubo de Crookes se ha convertido en una demostración escolar clásica.
Sin embargo, los experimentos sobre la desviación eléctrica de los rayos catódicos no fueron tan convincentes. Hertz no detectó tal desviación y llegó a la conclusión de que el rayo catódico es un proceso oscilatorio en el éter. El alumno de Hertz, F. Lenard, al experimentar con rayos catódicos, demostró en 1893 que pasan a través de una ventana cubierta con papel de aluminio y provocan un resplandor en el espacio detrás de la ventana. Hertz dedicó su último artículo, publicado en 1892, al fenómeno del paso de los rayos catódicos a través de cuerpos metálicos delgados, y comenzaba con las palabras:
“Los rayos catódicos difieren de la luz de manera significativa en términos de su capacidad para penetrar sólidos.” Al describir los resultados de los experimentos sobre el paso de los rayos catódicos a través de hojas de oro, plata, platino, aluminio, etc., Hertz señala que no observe cualquier diferencia especial en los fenómenos Los rayos no pasan a través de las hojas en línea recta, sino que se dispersan por difracción. La naturaleza de los rayos catódicos aún no estaba clara.
Fue con esos tubos de Crookes, Lenard y otros que el profesor de Würzburg Wilhelm Conrad Roentgen experimentó a fines de 1895. Una vez, después del final del experimento, cerró el tubo con una cubierta de cartón negro, apagó la luz, pero No apagó el inductor que alimentaba el tubo, notó el brillo de la pantalla de cianógeno de bario ubicada cerca del tubo. Impresionado por esta circunstancia, Roentgen comenzó a experimentar con la pantalla. En su primer informe "Sobre un nuevo tipo de rayos", fechado el 28 de diciembre de 1895, escribe sobre estos primeros experimentos: "Un trozo de papel recubierto de cianuro de platino y bario, al acercarse a un tubo, se cierra con una tapa de cartón que le queda lo suficientemente ajustado, con cada descarga destella con una luz brillante: comienza a emitir fluorescencia. La fluorescencia es visible con suficiente oscurecimiento y no depende de si traemos el papel con la cara recubierta con sinerógeno de bario o sin recubrir con sinerógeno de bario. La fluorescencia se nota incluso a una distancia de dos metros del tubo”.
Un examen cuidadoso mostró a Roentgen "que el cartón negro, que no es transparente ni a los rayos visibles ni ultravioletas del sol, ni a los rayos de un arco eléctrico, es penetrado por algún tipo de agente que causa la fluorescencia". Roentgen investigó el poder de penetración de este " agente ", que llamó por brevedad "rayos X", para varias sustancias. Descubrió que los rayos pasan libremente a través del papel, la madera, la ebonita, las capas delgadas de metal, pero el plomo los retrasa fuertemente.
Luego describe la sensacional experiencia:
"Si coloca la mano entre el tubo de descarga y la pantalla, puede ver las sombras oscuras de los huesos en los contornos tenues de la sombra de la mano". Este fue el primer examen de rayos X del cuerpo humano. Roentgen También recibió las primeras radiografías uniéndolas a su mano.
Estas tomas causaron una gran impresión; el descubrimiento aún no se había completado y el diagnóstico por rayos X ya había comenzado su viaje. “Mi laboratorio estaba inundado de médicos que traían pacientes que sospechaban que tenían agujas en varias partes del cuerpo”, escribió el físico inglés Schuster.
Ya después de los primeros experimentos, Roentgen estableció firmemente que los rayos X se diferencian de los catódicos, no llevan carga y no son desviados por un campo magnético, pero son excitados por los rayos catódicos. "Los rayos X no son idénticos a los catódicos". rayos, pero son excitados por ellos en las paredes de vidrio del tubo de descarga”, escribió Roentgen.
También estableció que se excitan no solo en el vidrio, sino también en los metales.
Al mencionar la hipótesis de Hertz-Lenard de que los rayos catódicos “son un fenómeno que ocurre en el éter”, Roentgen señala que “podemos decir algo similar sobre nuestros rayos”. Sin embargo, no pudo detectar las propiedades ondulatorias de los rayos, "se comportan de manera diferente a los rayos ultravioleta, visible e infrarrojo conocidos hasta ahora”. En sus acciones químicas y luminiscentes, según Roentgen, son similares a los rayos ultravioleta. En el primer mensaje , expresó la suposición dejada más adelante de que pueden ser ondas longitudinales en el éter.
El descubrimiento de Roentgen despertó gran interés en el mundo científico. Sus experimentos se repitieron en casi todos los laboratorios del mundo. En Moscú fueron repetidos por P.N. Lebedev. En San Petersburgo, el inventor de la radio A.S. Popov experimentó con rayos X, los demostró en conferencias públicas y recibió varios rayos X. En Cambridge D.D. Thomson aplicó inmediatamente el efecto ionizante de los rayos X para estudiar el paso de la electricidad a través de los gases. Su investigación condujo al descubrimiento del electrón.
Capitulo 2
Radiación de rayos X - radiación ionizante electromagnética, que ocupa la región espectral entre la radiación gamma y ultravioleta dentro de las longitudes de onda de 10 -4 a 10 3 (de 10 -12 a 10 -5 cm).R. yo con longitud de onda λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - suave.
2.1 fuentes de rayos X
La fuente más común de rayos X es el tubo de rayos X.
Los tubos de rayos X se utilizan en el análisis estructural de rayos X.
Las principales características de los tubos de rayos X son la tensión de aceleración máxima admisible (1-500 kV), corriente electrónica (0,01 mA - 1A), potencia específica disipada por el ánodo (10-10 4 W / mm 2), consumo de energía total (0,002 W - 60 kW) y tamaños de foco (1 µm - 10 mm). La eficiencia del tubo de rayos X es 0.1-3%.
Algunos isótopos radiactivos también pueden servir como fuentes de rayos X.
Los sincrotrones y los anillos de almacenamiento de electrones con energías de varios GeV pueden servir como fuentes de rayos X suaves con λ del orden de decenas y centenas. En intensidad, la radiación de rayos X de los sincrotrones supera la radiación de un tubo de rayos X en la región especificada del espectro en 2-3 órdenes de magnitud.
Fuentes naturales de rayos X: el Sol y otros objetos espaciales.
2.2 Propiedades de los rayos X
Dependiendo del mecanismo de origen de los rayos X, sus espectros pueden ser continuos (bremsstrahlung) o lineales (característicos). Las partículas cargadas rápidamente emiten un espectro de rayos X continuo como resultado de su desaceleración cuando interactúan con los átomos objetivo; este espectro alcanza una intensidad significativa solo cuando el objetivo es bombardeado con electrones. La intensidad de los rayos X de bremsstrahlung se distribuye en todas las frecuencias hasta el límite de alta frecuencia 0 , en el que la energía fotónica h 0 (h es la constante de Planck
La radiación lineal ocurre después de la ionización de un átomo con la eyección de un electrón de una de sus capas internas. Tal ionización puede ser el resultado de la colisión de un átomo con una partícula rápida, como un electrón (rayos X primarios), o la absorción de un fotón por un átomo (rayos X fluorescentes). El átomo ionizado se encuentra en el estado cuántico inicial en uno de niveles altos energía y después de 10 -16 -10 -15 segundos pasa al estado final con menos energía. En este caso, un átomo puede emitir un exceso de energía en forma de fotón de cierta frecuencia. Las frecuencias de las líneas del espectro de dicha radiación son características de los átomos de cada elemento, por lo que el espectro de rayos X de línea se denomina característico. La dependencia de la frecuencia de línea de este espectro con el número atómico Z está determinada por la ley de Moseley.
ley de mosley, la ley que relaciona la frecuencia de las líneas espectrales de la emisión de rayos X característica de un elemento químico con su número de serie. G. Moseley instalado experimentalmente
donde R es la constante de Rydberg
La ley de Moseley fue una prueba irrefutable de la correcta ubicación de los elementos en la tabla periódica de elementos.
De acuerdo con la ley de Moseley, los espectros característicos de rayos X no muestran los patrones periódicos inherentes a los espectros ópticos. Esto indica que las capas internas de electrones de los átomos de todos los elementos que aparecen en los espectros de rayos X característicos tienen una estructura similar.
Experimentos posteriores revelaron algunas desviaciones de la dependencia lineal para los grupos de transición de elementos, asociadas con un cambio en el orden de llenado de las capas externas de electrones, así como para átomos pesados, como resultado de efectos relativistas (explicados condicionalmente por el hecho de que el velocidades de los interiores son comparables a la velocidad de la luz).
Dependiendo de una serie de factores, del número de nucleones en el núcleo (desplazamiento isotónico), el estado de las capas externas de electrones (desplazamiento químico), etc., la posición de las líneas espectrales en el diagrama de Moseley puede cambiar un poco. El estudio de estos desplazamientos permite obtener información detallada sobre el átomo.
Los rayos X de Bremsstrahlung emitidos por objetivos muy delgados están completamente polarizados cerca de 0; a medida que 0 disminuye, el grado de polarización disminuye. La radiación característica, por regla general, no está polarizada.
Cuando los rayos X interactúan con la materia, puede ocurrir el efecto fotoeléctrico.
Cuando los rayos X atraviesan una capa de sustancia con espesor x, su intensidad inicial I 0 disminuye al valor I = I 0 e - μ x donde μ es el coeficiente de atenuación. La atenuación de I ocurre debido a dos procesos: la absorción de fotones de rayos X por parte de la materia y el cambio en su dirección al dispersarse. En la región de longitud de onda larga del espectro, predomina la absorción de rayos X, en la región de longitud de onda corta, su dispersión. El grado de absorción aumenta rápidamente al aumentar Z y λ. Por ejemplo, los rayos X duros penetran libremente a través de una capa de aire de ~ 10 cm; una placa de aluminio de 3 cm de espesor atenúa a la mitad los rayos X con λ = 0,027; los rayos X blandos se absorben significativamente en el aire y su uso y estudio solo es posible en el vacío o en un gas débilmente absorbente (por ejemplo, He). Cuando se absorben los rayos X, los átomos de una sustancia se ionizan.
El efecto de los rayos X sobre los organismos vivos puede ser beneficioso o perjudicial, dependiendo de la ionización que provoquen en los tejidos. Dado que la absorción de rayos X depende de λ, su intensidad no puede servir como medida del efecto biológico de los rayos X. Las mediciones de rayos X se utilizan para medir el efecto de los rayos X en la materia.
La dispersión de rayos X en la región de Z y λ grandes ocurre principalmente sin un cambio en λ y se denomina dispersión coherente, y en la región de Z y λ pequeños, por regla general, aumenta (dispersión incoherente). Hay 2 tipos de dispersión de rayos X incoherente: Compton y Raman. En la dispersión Compton, que tiene el carácter de dispersión corpuscular inelástica, un electrón de retroceso sale volando de la capa atómica debido a la energía parcialmente perdida por el fotón de rayos X. En este caso, la energía del fotón disminuye y su dirección cambia; el cambio en λ depende del ángulo de dispersión. Durante la dispersión Raman de un fotón de rayos X de alta energía por un átomo de luz, una pequeña parte de su energía se gasta en la ionización del átomo y cambia la dirección del movimiento del fotón. El cambio de tales fotones no depende del ángulo de dispersión.
El índice de refracción n de los rayos X difiere de 1 en una cantidad muy pequeña δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . La velocidad de fase de los rayos X en un medio es mayor que la velocidad de la luz en el vacío. La desviación de los rayos X durante la transición de un medio a otro es muy pequeña (unos pocos minutos de arco). Cuando los rayos X caen desde el vacío sobre la superficie de un cuerpo en un ángulo muy pequeño, se produce su reflexión externa total.
2.3 Registro de rayos X
El ojo humano no es sensible a los rayos X. radiografía
Los rayos se registran utilizando una película de rayos X especial que contiene una mayor cantidad de Ag, Br. En la región λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть
искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В
области λ>5, la sensibilidad de la película positiva ordinaria es bastante alta y sus granos son mucho más pequeños que los granos de la película de rayos X, lo que aumenta la resolución. Para λ del orden de las decenas y las centenas, los rayos X actúan sólo sobre las partículas más delgadas capa superficial emulsiones fotográficas; para aumentar la sensibilidad de la película, se sensibiliza con aceites luminiscentes. En el diagnóstico por rayos X y la detección de fallas, a veces se usa la electrofotografía para registrar rayos X.
Los rayos X de alta intensidad se pueden registrar usando una cámara de ionización
2.4 Uso de rayos X
Los rayos X son los más utilizados en medicina para el diagnóstico por rayos X.
Análisis estructural de rayos X
microscopía de rayos x
Los rayos X provenientes del espacio transportan información sobre la composición química de los cuerpos cósmicos y sobre los procesos físicos que tienen lugar en el espacio. La astronomía de rayos X se ocupa del estudio de los rayos X cósmicos.
Capítulo 3
Una de las tareas principales del análisis de difracción de rayos X es la determinación de la composición real o de fase de un material. El método de difracción de rayos X es directo y se caracteriza por una alta fiabilidad, rapidez y relativo bajo costo. El método no requiere un número grande sustancias, el análisis se puede llevar a cabo sin destruir la pieza. Las áreas de aplicación del análisis cualitativo de fases son muy diversas tanto para la investigación científica como para el control en producción. Puede verificar la composición de las materias primas de la producción metalúrgica, productos de síntesis, procesamiento, el resultado de los cambios de fase durante el tratamiento térmico y químico-térmico, analizar varios recubrimientos, películas delgadas, etc.
Cada fase, que tiene su propia estructura cristalina, se caracteriza por un cierto conjunto de valores discretos de distancias interplanares d/n desde el máximo y por debajo, inherentes solo a esta fase. Como se desprende de la ecuación de Wulf-Bragg, cada valor de la distancia interplanar corresponde a una línea en el patrón de rayos X de una muestra policristalina en un cierto ángulo θ (en un valor dado de la longitud de onda λ). Así, un determinado sistema de líneas (máximos de difracción) corresponderá a un cierto conjunto de distancias interplanares para cada fase en el patrón de difracción de rayos X. La intensidad relativa de estas líneas en el patrón de rayos X depende principalmente de la estructura de la fase. Por lo tanto, determinando la ubicación de las líneas en la radiografía (su ángulo θ) y conociendo la longitud de onda de la radiación a la que se tomó la radiografía, es posible determinar los valores de las distancias interplanares d/n usando el Wulf -Fórmula de Bragg:
/n = λ/ (2sen θ). (una)
Habiendo determinado el conjunto de d/n para el material en estudio y comparándolo con los datos de d/n previamente conocidos para sustancias puras, sus diversos compuestos, es posible establecer qué fase es material dado. Debe enfatizarse que son las fases las que se determinan, y no la composición química, pero esta última a veces se puede deducir si hay datos adicionales sobre la composición elemental de una fase en particular. La tarea del análisis de fase cualitativo se facilita enormemente si se conoce la composición química del material en estudio, porque entonces es posible hacer suposiciones preliminares sobre la posible este caso etapas.
La clave del análisis de fase es medir con precisión la d/n y la intensidad de la línea. Aunque en principio esto es más fácil de lograr usando un difractómetro, el fotométodo para el análisis cualitativo tiene algunas ventajas, principalmente en términos de sensibilidad (la capacidad de detectar la presencia de una pequeña cantidad de fase en la muestra), así como la simplicidad de la técnica experimental.
El cálculo de d/n a partir del patrón de rayos X se realiza mediante la ecuación de Wulf-Bragg.
Como valor de λ en esta ecuación, generalmente se usa λ α cf K-series:
λ α cf = (2 λ α1 + λ α2) /3 (2)
A veces se utiliza la línea K α1. Determinar los ángulos de difracción θ para todas las líneas de rayos X le permite calcular d / n de acuerdo con la ecuación (1) y separar las líneas β (si no hubiera un filtro para (rayos β).
3.1 Análisis de las imperfecciones de la estructura cristalina
Todos los materiales monocristalinos reales y más aún los policristalinos contienen ciertas imperfecciones estructurales (defectos puntuales, dislocaciones, varios tipos interfaces, micro y macroestrés), que tienen una influencia muy fuerte en todas las propiedades y procesos estructuralmente sensibles.
Las imperfecciones estructurales causan distorsiones de la red cristalina de diversa naturaleza y, como resultado, diferente tipo cambios en el patrón de difracción: un cambio en las distancias interatómicas e interplanares provoca un cambio en los máximos de difracción, las microtensiones y la dispersión de la subestructura conducen a una ampliación de los máximos de difracción, las microdistorsiones de la red conducen a un cambio en la intensidad de estos máximos, la presencia de dislocaciones provoca fenómenos anómalos durante el paso de los rayos X y, en consecuencia, inhomogeneidades locales del contraste en los topogramas de rayos X, etc.
Como resultado, el análisis de difracción de rayos X es uno de los métodos más informativos para estudiar imperfecciones estructurales, su tipo y concentración, y la naturaleza de su distribución.
El método directo tradicional de difracción de rayos X, que se implementa en difractómetros estacionarios, debido a sus características de diseño, permite la determinación cuantitativa de tensiones y deformaciones solo en muestras pequeñas cortadas de piezas u objetos.
Por lo tanto, en la actualidad existe una transición de difractómetros de rayos X estacionarios a portátiles de pequeño tamaño, que permiten evaluar los esfuerzos en el material de piezas u objetos sin destruirlos en las etapas de su fabricación y operación.
Los difractómetros de rayos X portátiles de la serie DRP * 1 permiten controlar las tensiones residuales y efectivas en piezas, productos y estructuras de gran tamaño sin destrucción.
El programa en entorno Windows permite no solo determinar las tensiones utilizando el método "sin 2 ψ" en tiempo real, sino también monitorear el cambio en la composición de fase y textura. El detector de coordenadas lineales proporciona registro simultáneo en ángulos de difracción 2θ = 43°. tubos de rayos X de pequeño tamaño del tipo "Fox" con alta luminosidad y bajo consumo(5 W) garantizar la seguridad radiológica del dispositivo, en el que a una distancia de 25 cm del área irradiada, el nivel de radiación es igual al nivel de fondo natural. Los dispositivos de la serie DRP se utilizan para determinar las tensiones en varias etapas de la formación, corte, rectificado, tratamiento térmico, soldadura y endurecimiento de superficies de metales para optimizar estas operaciones tecnológicas. El control del descenso del nivel de tensiones residuales de compresión inducidas en productos y estructuras especialmente críticas durante su funcionamiento, permite poner fuera de servicio el producto antes de su destrucción, previniendo posibles accidentes y catástrofes.
3.2 Análisis de espectro
Junto con la determinación de la estructura cristalina atómica y composición de fases del material, para su completa caracterización, es obligatorio determinar su composición química.
Cada vez más, varios de los llamados métodos instrumentales de análisis espectral se utilizan en la práctica para estos fines. Cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y aplicaciones.
Uno de los requisitos importantes en muchos casos es que el método utilizado garantice la seguridad del objeto analizado; Son estos métodos de análisis los que se discuten en esta sección. El siguiente criterio según el cual se eligieron los métodos de análisis descritos en esta sección es su localidad.
El método de análisis espectral de rayos X de fluorescencia se basa en la penetración de radiación de rayos X bastante dura (desde un tubo de rayos X) en el objeto analizado, penetrando en una capa con un grosor del orden de varios micrómetros. La radiación de rayos X característica que surge en este caso en el objeto permite obtener datos promediados sobre su composición química.
Para determinar la composición elemental de una sustancia, se puede utilizar el análisis del espectro de rayos X característico de una muestra colocada en el ánodo de un tubo de rayos X y sometida a bombardeo de electrones: el método de emisión o el análisis del espectro. de radiación de rayos X secundaria (fluorescente) de una muestra sometida a irradiación con rayos X duros de un tubo de rayos X u otra fuente - método fluorescente.
La desventaja del método de emisión es, en primer lugar, la necesidad de colocar la muestra en el ánodo del tubo de rayos X, seguido de la evacuación con bombas de vacío; obviamente, este método no es adecuado para sustancias fusibles y volátiles. El segundo inconveniente está relacionado con el hecho de que incluso los objetos refractarios resultan dañados por el bombardeo de electrones. El método fluorescente está libre de estas deficiencias y, por lo tanto, tiene una aplicación mucho más amplia. La ventaja del método de fluorescencia es también la ausencia de bremsstrahlung, lo que mejora la sensibilidad del análisis. Comparación de longitudes de onda medidas con tablas de líneas espectrales elementos químicos forma la base del análisis cualitativo, y las intensidades relativas de las líneas espectrales de los diferentes elementos que forman la sustancia de la muestra forman la base del análisis cuantitativo. A partir de una consideración del mecanismo de excitación de la radiación característica de rayos X, está claro que las radiaciones de una u otra serie (K o L, M, etc.) surgen simultáneamente, y la relación de intensidades de línea dentro de la serie es siempre constante. Por lo tanto, la presencia de este o aquel elemento no se establece por líneas individuales, sino por una serie de líneas en su conjunto (excepto las más débiles, teniendo en cuenta el contenido de este elemento). Para elementos relativamente ligeros se utiliza el análisis de las líneas de la serie K, para elementos pesados, las líneas de la serie L; bajo diferentes condiciones (dependiendo del equipo usado y de los elementos analizados), diferentes regiones del espectro característico pueden ser más convenientes.
Las principales características del análisis espectral de rayos X son las siguientes.
La simplicidad de los espectros característicos de rayos X incluso para elementos pesados (en comparación con los espectros ópticos), lo que simplifica el análisis (pequeño número de líneas; similitud en su disposición mutua; con el aumento de número de serie hay un cambio regular del espectro a la región de longitud de onda corta, la simplicidad comparativa del análisis cuantitativo).
Independencia de las longitudes de onda del estado de los átomos del elemento analizado (libre o en un compuesto químico). Esto se debe al hecho de que la aparición de la radiación de rayos X característica está asociada con la excitación de los niveles electrónicos internos, que en la mayoría de los casos prácticamente no cambian con el grado de ionización de los átomos.
La posibilidad de separación en el análisis de tierras raras y algunos otros elementos que tienen pequeñas diferencias en los espectros en el rango óptico debido a la similitud de la estructura electrónica de las capas exteriores y difieren muy poco en sus propiedades químicas.
La espectroscopia de fluorescencia de rayos X es "no destructiva", por lo que tiene una ventaja sobre la espectroscopia óptica convencional cuando se analizan muestras delgadas: láminas de metal delgadas, láminas, etc.
Espectrómetros de fluorescencia de rayos X, entre ellos los espectrómetros multicanal o cuantómetros, que permiten un análisis cuantitativo exprés de elementos (desde Na o Mg hasta U) con un error inferior al 1% del valor determinado, un umbral de sensibilidad de 10 -3... 10 -4% .
haz de rayos x
Métodos para determinar la composición espectral de los rayos X.
Los espectrómetros se dividen en dos tipos: difracción de cristal y sin cristal.
Descomposición de rayos X en un espectro utilizando rejilla- cristal - esencialmente similar a la obtención de un espectro de rayos de luz ordinarios utilizando una rejilla de difracción artificial en forma de trazos periódicos sobre vidrio. La condición para la formación de un máximo de difracción se puede escribir como la condición de "reflexión" de un sistema de planos atómicos paralelos separados por una distancia d hkl.
Al realizar un análisis cualitativo, se puede juzgar la presencia de un elemento en una muestra por una línea, generalmente la línea más intensa de la serie espectral adecuada para un cristal analizador determinado. La resolución de los espectrómetros de difracción de cristal es suficiente para separar las líneas características incluso de elementos adyacentes en posición en la tabla periódica. Sin embargo, también es necesario tener en cuenta la imposición de diferentes líneas de diferentes elementos, así como la imposición de reflejos de diferentes órdenes. Esta circunstancia debe tenerse en cuenta a la hora de elegir líneas analíticas. Al mismo tiempo, es necesario aprovechar las posibilidades de mejorar la resolución del dispositivo.
Conclusión
Por lo tanto, los rayos X son radiación electromagnética invisible con una longitud de onda de 10 5 - 10 2 nm. Los rayos X pueden penetrar algunos materiales que son opacos a la luz visible. Se emiten durante la desaceleración de los electrones rápidos en la materia (espectro continuo) y durante las transiciones de electrones desde las capas de electrones externas del átomo a las internas (espectro lineal). Las fuentes de radiación de rayos X son: tubo de rayos X, algunos isótopos radiactivos, aceleradores y acumuladores de electrones (radiación sincrotrón). Receptores: película, pantallas luminiscentes, detectores de radiación nuclear. Los rayos X se utilizan en análisis de difracción de rayos X, medicina, detección de fallas, análisis espectral de rayos X, etc.
Habiendo considerado lados positivos el descubrimiento de V. Roentgen, es necesario señalar su efecto biológico nocivo. Resultó que los rayos X pueden causar algo así como una quemadura solar severa (eritema), acompañada, sin embargo, por un daño más profundo y permanente en la piel. Las úlceras que aparecen a menudo se convierten en cáncer. En muchos casos, hubo que amputar dedos o manos. También hubo muertes.
Se ha encontrado que las lesiones de la piel pueden evitarse reduciendo el tiempo de exposición y la dosis, usando protección (por ejemplo, plomo) y controles remotos. Pero gradualmente se revelaron otros efectos a más largo plazo de la exposición a los rayos X, que luego se confirmaron y estudiaron en animales de experimentación. Los efectos debidos a los rayos X y otras radiaciones ionizantes (como los rayos gamma emitidos por materiales radiactivos) incluyen:
) cambios temporales en la composición de la sangre después de un exceso de exposición relativamente pequeño;
) cambios irreversibles en la composición de la sangre (anemia hemolítica) después de una exposición excesiva prolongada;
) un aumento en la incidencia de cáncer (incluida la leucemia);
) envejecimiento más rápido y muerte prematura;
) la aparición de cataratas.
El impacto biológico de los rayos X en el cuerpo humano está determinado por el nivel de la dosis de radiación, así como por qué órgano particular del cuerpo estuvo expuesto a la radiación.
La acumulación de conocimientos sobre los efectos de la radiación de rayos X en el cuerpo humano ha llevado al desarrollo de estándares nacionales e internacionales para las dosis de radiación permisibles, publicados en varias publicaciones de referencia.
Para evitar efectos dañinos Se utilizan métodos de control de radiación de rayos X:
) disponibilidad de equipos adecuados,
) supervisar el cumplimiento de las normas de seguridad,
) uso correcto del equipo.
Lista de fuentes utilizadas
1) Blokhin M.A., Physics of X-rays, 2ª ed., M., 1957;
) Blokhin M.A., Métodos de estudios espectrales de rayos X, M., 1959;
) Rayos X. Se sentó. edición MAMÁ. Blojin, trad. con él. e Inglés, M., 1960;
) Jaraja F., Curso general Ingeniería de rayos X, 3ª ed., M. - L., 1966;
) Mirkin L.I., Handbook of X-ray difraction analysis of polycrystals, M., 1961;
) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Tablas de referencia sobre espectroscopia de rayos X, M., 1953.
) Análisis de rayos X y electronóptico. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Subsidio para universidades. - 4ª ed. Agregar. Y un retrabajador. - M.: "MISiS", 2002. - 360 p.
Aplicaciones
Anexo 1
Vista general de los tubos de rayos X
Apéndice 2
Esquema de tubo de rayos X para análisis estructural.
Esquema de un tubo de rayos X para análisis estructural: 1 - vidrio de ánodo metálico (generalmente conectado a tierra); 2 - ventanas de berilio para salida de rayos X; 3 - cátodo termoiónico; 4 - bulbo de vidrio, que aísla la parte del ánodo del tubo del cátodo; 5 - terminales de cátodo, a los que se aplica voltaje de filamento, así como alto voltaje (en relación con el ánodo); 6 - sistema electrostático para enfocar electrones; 7 - ánodo (anticátodo); 8 - tubos de derivación para entrada y salida de agua corriente que enfría el vidrio del ánodo.
Apéndice 3
diagrama de Moseley
Diagrama de Moseley para las series K, L y M de rayos X característicos. La abscisa muestra el número de serie del elemento Z, la ordenada - ( Con es la velocidad de la luz).
Apéndice 4
Cámara de ionización.
Figura 1. Sección de una cámara de ionización cilíndrica: 1 - cuerpo cilíndrico de la cámara, que sirve como electrodo negativo; 2 - varilla cilíndrica que sirve como electrodo positivo; 3 - aisladores.
Arroz. 2. Esquema de encendido de la cámara de ionización actual: V - voltaje en los electrodos de la cámara; G es un galvanómetro que mide la corriente de ionización.
Arroz. 3. Característica corriente-voltaje de la cámara de ionización.
Arroz. 4. Esquema de encendido de la cámara de ionización pulsada: C - capacitancia del electrodo colector; R es resistencia.
Apéndice 5
Contador de centelleo.
Esquema de un contador de centelleo: cuantos de luz (fotones) "eliminan" electrones del fotocátodo; moviéndose de dínodo a dínodo, la avalancha de electrones se multiplica.
Apéndice 6
Contador Geiger-Muller.
Arroz. 1. Esquema de un contador Geiger-Muller de vidrio: 1 - tubo de vidrio sellado herméticamente; 2 - cátodo (una fina capa de cobre sobre un tubo de acero inoxidable); 3 - salida del cátodo; 4 - ánodo (hilo delgado estirado).
Arroz. 2. Esquema de encendido del contador Geiger-Muller.
Arroz. 3. La característica de conteo del contador Geiger-Muller.
Apéndice 7
contador proporcional.
Esquema de un contador proporcional: a - región de deriva de electrones; b - área de amplificación de gas.
Apéndice 8
Detectores de semiconductores
detectores de semiconductores; el área sensible se resalta mediante sombreado; n - región de un semiconductor con conductividad electrónica, p - con agujero, i - con conducción intrínseca; a - detector de barrera de superficie de silicio; b - detector plano de germanio-litio de deriva; c - detector coaxial de germanio-litio.
Se emiten con la participación de electrones, a diferencia de la radiación gamma, que es nuclear. Los rayos X artificiales se crean acelerando fuertemente partículas cargadas y moviendo electrones de un nivel de energía a otro, liberando una gran cantidad de energía. Los dispositivos que se pueden obtener son tubos de rayos X y aceleradores de partículas. Sus fuentes naturales son átomos radiactivamente inestables y objetos espaciales.
Historial de descubrimiento
Fue realizado en noviembre de 1895 por Roentgen, un científico alemán que descubrió el efecto de fluorescencia del cianuro de platino y bario durante el funcionamiento de un tubo de rayos catódicos. Describió las características de estos rayos con cierto detalle, incluida la capacidad de penetrar en el tejido vivo. El científico los llamó rayos X, el nombre "rayos X" echó raíces en Rusia más tarde.
Qué caracteriza a este tipo de radiación
Es lógico que las características de esta radiación se deban a su naturaleza. Una onda electromagnética es lo que son los rayos X. Sus propiedades son las siguientes:
Radiación de rayos X - daño
Por supuesto, en el momento del descubrimiento y durante muchos años después, nadie imaginó lo peligroso que era.
¿Dónde se utilizan los rayos X?
- La medicina. Diagnóstico por rayos X - "transmisión" de organismos vivos. Terapia de rayos X - el efecto sobre las células tumorales.
- La ciencia. La cristalografía, la química y la bioquímica los utilizan para revelar la estructura de la materia.
- Industria. Detección de defectos en piezas metálicas.
- Seguridad. El equipo de rayos X se utiliza para detectar artículos peligrosos en el equipaje en aeropuertos y otros lugares.
En el estudio y uso práctico de los fenómenos atómicos, uno de los roles críticos jugando a los rayos x. Gracias a sus investigaciones, se hicieron muchos descubrimientos y se desarrollaron métodos para analizar sustancias, que se utilizan en diversos campos. Aquí consideraremos uno de los tipos de rayos X: los rayos X característicos.
Naturaleza y propiedades de los rayos X.
La radiación de rayos X es un cambio de alta frecuencia en el estado de un campo electromagnético que se propaga en el espacio a una velocidad de unos 300.000 km/s, es decir, ondas electromagnéticas. En la escala del rango de radiación electromagnética, los rayos X se ubican en el rango de longitud de onda de aproximadamente 10 -8 a 5∙10 -12 metros, que es varios órdenes de magnitud más corta que las ondas ópticas. Esto corresponde a frecuencias de 3∙10 16 a 6∙10 19 Hz y energías de 10 eV a 250 keV, o 1.6∙10 -18 a 4∙10 -14 J. Cabe señalar que los límites de los rangos de frecuencia de Las radiaciones electromagnéticas son bastante convencionales debido a su superposición.
Es la interacción de partículas cargadas aceleradas (electrones de alta energía) con campos eléctricos y magnéticos y con átomos de materia.
Los fotones de rayos X se caracterizan por tener altas energías y un alto poder de penetración e ionización, especialmente para rayos X duros con longitudes de onda inferiores a 1 nanómetro (10 -9 m).
Los rayos X interactúan con la materia, ionizando sus átomos, en los procesos de efecto fotoeléctrico (fotoabsorción) y dispersión incoherente (Compton). En la fotoabsorción, un fotón de rayos X, al ser absorbido por un electrón de un átomo, le transfiere energía. Si su valor excede la energía de enlace de un electrón en un átomo, entonces abandona el átomo. La dispersión de Compton es característica de los fotones de rayos X más duros (energéticos). Parte de la energía del fotón absorbido se gasta en ionización; en este caso, con cierto ángulo respecto a la dirección del fotón primario, se emite uno secundario, de menor frecuencia.
Tipos de radiación de rayos X. Bremsstrahlung
Para obtener los rayos se utilizan botellas de vacío de vidrio con electrodos ubicados en su interior. La diferencia de potencial entre los electrodos debe ser muy alta, hasta cientos de kilovoltios. En un cátodo de tungsteno calentado por corriente, emisión termoiónica, es decir, se emiten electrones que, acelerados por la diferencia de potencial, bombardean el ánodo. Como resultado de su interacción con los átomos del ánodo (a veces llamado anticátodo), nacen los fotones de rayos X.
Dependiendo de qué proceso conduce al nacimiento de un fotón, existen tipos de radiación de rayos X como bremsstrahlung y característica.
Los electrones pueden, al encontrarse con el ánodo, ralentizarse, es decir, perder energía en los campos eléctricos de sus átomos. Esta energía se emite en forma de fotones de rayos X. Tal radiación se llama bremsstrahlung.
Está claro que las condiciones de frenado diferirán para los electrones individuales. Esto significa que diferentes cantidades de su energía cinética se convierten en rayos X. Como resultado, la bremsstrahlung incluye fotones de diferentes frecuencias y, en consecuencia, longitudes de onda. Por lo tanto, su espectro es continuo (continuo). A veces, por esta razón, también se le llama rayos X "blancos".
La energía del fotón de bremsstrahlung no puede exceder la energía cinética del electrón que lo genera, por lo que la frecuencia máxima (y la longitud de onda más pequeña) de bremsstrahlung corresponde a valor más alto energía cinética de los electrones que inciden en el ánodo. Este último depende de la diferencia de potencial aplicada a los electrodos.
Hay otro tipo de rayos X que proviene de un proceso diferente. Esta radiación se llama característica, y nos detendremos en ella con más detalle.
Cómo se producen los rayos X característicos
Habiendo llegado al anticátodo, un electrón rápido puede penetrar dentro del átomo y eliminar cualquier electrón de uno de los orbitales inferiores, es decir, transferirle energía suficiente para superar la barrera de potencial. Sin embargo, si hay niveles de energía más altos ocupados por electrones en el átomo, el lugar vacante no permanecerá vacío.
Hay que recordar que la estructura electrónica del átomo, como todo sistema energético, busca minimizar la energía. La vacante formada como resultado de la eliminación se llena con un electrón de uno de los niveles superiores. Su energía es superior y, al ocupar un nivel inferior, irradia un excedente en forma de cuanto de radiación característica de rayos X.
La estructura electrónica de un átomo es un conjunto discreto de posibles estados de energía de los electrones. Por lo tanto, los fotones de rayos X emitidos durante el reemplazo de vacantes de electrones también pueden tener solo valores de energía estrictamente definidos, lo que refleja la diferencia de nivel. Como resultado, la radiación de rayos X característica tiene un espectro no continuo, sino de tipo lineal. Tal espectro permite caracterizar la sustancia del ánodo, de ahí el nombre de estos rayos. Precisamente por las diferencias espectrales está claro lo que se entiende por bremsstrahlung y rayos X característicos.
A veces, el exceso de energía no es emitido por el átomo, sino que se gasta en eliminar el tercer electrón. Este proceso, el llamado efecto Auger, es más probable que ocurra cuando la energía de enlace de electrones no supera 1 keV. La energía del electrón Auger liberado depende de la estructura de los niveles de energía del átomo, por lo que los espectros de tales electrones también son discretos.
Vista general del espectro característico
Las líneas características estrechas están presentes en el patrón espectral de rayos X junto con un espectro continuo de bremsstrahlung. Si representamos el espectro como un gráfico de intensidad versus longitud de onda (frecuencia), veremos picos agudos en las ubicaciones de las líneas. Su posición depende del material del ánodo. Estos máximos están presentes en cualquier diferencia de potencial: si hay rayos X, siempre hay picos también. Con el aumento del voltaje en los electrodos del tubo, la intensidad de la radiación de rayos X continua y característica aumenta, pero la ubicación de los picos y la relación de sus intensidades no cambia.
Los picos en los espectros de rayos X tienen la misma forma independientemente del material del anticátodo irradiado por los electrones, pero para diferentes materiales se ubican en diferentes frecuencias, uniéndose en serie según la proximidad de los valores de frecuencia. Entre las propias series, la diferencia de frecuencias es mucho más significativa. La forma de los máximos no depende en modo alguno de si el material del ánodo representa un elemento químico puro o si es una sustancia compleja. En este último caso, los espectros de rayos X característicos de sus elementos constituyentes simplemente se superponen entre sí.
Con un aumento en el número atómico de un elemento químico, todas las líneas de su espectro de rayos X se desplazan hacia una frecuencia creciente. El espectro conserva su forma.
ley de mosley
El fenómeno del desplazamiento espectral de las líneas características fue descubierto experimentalmente por el físico inglés Henry Moseley en 1913. Esto le permitió asociar las frecuencias de los máximos del espectro con los números ordinales de los elementos químicos. Por lo tanto, la longitud de onda de la radiación de rayos X característica, como se vio después, se puede correlacionar claramente con un elemento en particular. V vista general La ley de Moseley se puede escribir de la siguiente manera: √f = (Z - S n)/n√R, donde f es la frecuencia, Z es el número atómico del elemento, S n es la constante de apantallamiento, n es el número cuántico principal , y R es la constante de Rydberg. Esta relación es lineal y aparece en el diagrama de Moseley como una serie de líneas rectas para cada valor de n.
Los valores de n corresponden a series individuales de picos de rayos X característicos. La ley de Moseley permite determinar el número de serie de un elemento químico irradiado por electrones duros a partir de las longitudes de onda medidas (están únicamente relacionadas con las frecuencias) de los máximos del espectro de rayos X.
La estructura de las capas de electrones de los elementos químicos es idéntica. Esto está indicado por la monotonicidad del cambio de desplazamiento en el espectro característico de los rayos X. El cambio de frecuencia no refleja las diferencias estructurales, sino las de energía entre las capas de electrones, únicas para cada elemento.
El papel de la ley de Moseley en la física atómica
Hay pequeñas desviaciones de la estricta relación lineal expresada por la ley de Moseley. Están relacionados, en primer lugar, con las peculiaridades del orden de llenado de las capas de electrones en algunos elementos y, en segundo lugar, con los efectos relativistas del movimiento de los electrones en los átomos pesados. Además, cuando cambia el número de neutrones en el núcleo (el llamado cambio isotópico), la posición de las líneas puede cambiar ligeramente. Este efecto hizo posible estudiar la estructura atómica en detalle.
La importancia de la ley de Moseley es extremadamente grande. Su aplicación consistente a los elementos del sistema periódico de Mendeleev estableció el patrón de aumentar el número de serie de acuerdo con cada pequeño cambio en los máximos característicos. Esto contribuyó a aclarar la cuestión del significado físico del número ordinal de elementos. El valor Z no es solo un número: es la carga eléctrica positiva del núcleo, que es la suma de las cargas positivas unitarias de las partículas que lo componen. La ubicación correcta de los elementos en la tabla y la presencia de posiciones vacías en ella (entonces todavía existían) recibieron una poderosa confirmación. Se probó la validez de la ley periódica.
La ley de Moseley, además, se convirtió en la base sobre la que surgió toda un área de investigación experimental: la espectrometría de rayos X.
La estructura de las capas de electrones del átomo.
Recordemos brevemente cómo está dispuesto el electrón. Se compone de capas, indicadas con las letras K, L, M, N, O, P, Q o números del 1 al 7. Los electrones dentro de la capa se caracterizan por el mismo principio número cuántico n, que determina los posibles valores de energía. En las capas exteriores, la energía de los electrones es mayor y, en consecuencia, el potencial de ionización de los electrones exteriores es menor.
El caparazón incluye uno o más subniveles: s, p, d, f, g, h, i. En cada capa, el número de subniveles aumenta en uno en comparación con el anterior. El número de electrones en cada subnivel y en cada capa no puede exceder un cierto valor. Se caracterizan, además del número cuántico principal, por el mismo valor de la nube de electrones orbitales que determina la forma. Los subniveles están etiquetados con el caparazón al que pertenecen, como 2s, 4d, etc.
El subnivel contiene que, además del principal y el orbital, están establecidos por un número cuántico más: magnético, que determina la proyección del momento orbital del electrón en la dirección del campo magnético. Un orbital no puede tener más de dos electrones, que difieren en el valor del cuarto número cuántico: el espín.
Consideremos con más detalle cómo surge la radiación de rayos X característica. Dado que el origen de este tipo de emisión electromagnética está asociado a fenómenos que ocurren en el interior del átomo, lo más conveniente es describirlo con precisión en la aproximación de configuraciones electrónicas.
El mecanismo de generación de rayos X característicos.
Entonces, la causa de esta radiación es la formación de vacantes de electrones en las capas internas, debido a la penetración profunda de electrones de alta energía en el átomo. La probabilidad de que un electrón duro interactúe aumenta con la densidad de las nubes de electrones. Por lo tanto, las colisiones son más probables dentro de capas internas densamente empaquetadas, como la capa K más baja. Aquí el átomo se ioniza y se forma una vacante en la capa 1s.
Esta vacante se llena con un electrón de la capa con una energía más alta, cuyo exceso es arrastrado por el fotón de rayos X. Este electrón puede "caer" de la segunda capa L, de la tercera capa M y así sucesivamente. Así se forma la serie característica, en este ejemplo- Serie K. Una indicación de dónde proviene el electrón que llena la vacante se da en forma de índice griego al designar la serie. "Alfa" significa que proviene del caparazón L, "beta" - del caparazón M. En la actualidad, existe una tendencia a sustituir los índices de letras griegas por los latinos adoptados para designar las conchas.
La intensidad de la línea alfa en la serie es siempre la más alta, lo que significa que la probabilidad de llenar una vacante desde un caparazón vecino es la más alta.
Ahora podemos responder a la pregunta, ¿cuál es la energía máxima del cuanto característico de rayos X? Está determinado por la diferencia en los valores de energía de los niveles entre los cuales ocurre la transición de electrones, de acuerdo con la fórmula E \u003d E n 2 - E n 1, donde E n 2 y E n 1 son las energías del estados electrónicos entre los que se produjo la transición. El valor más alto de este parámetro lo dan las transiciones de la serie K desde los niveles más altos posibles de átomos de elementos pesados. Pero la intensidad de estas líneas (alturas de los picos) es la más pequeña, ya que son las menos probables.
Si, debido a un voltaje insuficiente en los electrodos, un electrón duro no puede alcanzar el nivel K, forma una vacante en el nivel L y se forma una serie L menos energética con longitudes de onda más largas. Las series posteriores nacen de manera similar.
Además, cuando se llena una vacante, aparece una nueva vacante en el caparazón superpuesto como resultado de una transición electrónica. Esto crea las condiciones para generar la siguiente serie. Las vacantes electrónicas se mueven más alto de un nivel a otro, y el átomo emite una cascada de series espectrales características, mientras permanece ionizado.
Estructura fina de espectros característicos.
Los espectros de rayos X atómicos de la radiación de rayos X característica se caracterizan por una estructura fina, que se expresa, como en los espectros ópticos, en la división de líneas.
La estructura fina se debe al hecho de que el nivel de energía, la capa de electrones, es un conjunto de componentes estrechamente espaciados, subcapas. Para caracterizar las subcapas, se introduce uno más, el número cuántico interno j, que refleja la interacción de los momentos magnéticos intrínseco y orbital del electrón.
En relación con la influencia de la interacción espín-órbita, la estructura energética del átomo se vuelve más complicada y, como resultado, la radiación de rayos X característica tiene un espectro que se caracteriza por líneas divididas con elementos muy próximos entre sí.
Los elementos de estructura fina generalmente se indican mediante índices digitales adicionales.
La característica radiación de rayos X tiene una característica que se refleja solo en la estructura fina del espectro. La transición de un electrón al nivel de energía más bajo no ocurre desde la subcapa inferior del nivel superior. Tal evento tiene una probabilidad despreciable.
El uso de rayos X en espectrometría.
Esta radiación, debido a sus características descritas por la ley de Moseley, subyace a varios métodos espectrales de rayos X para el análisis de sustancias. Al analizar el espectro de rayos X, se utiliza la difracción de la radiación por cristales (método de dispersión de ondas) o detectores sensibles a la energía de los fotones de rayos X absorbidos (método de dispersión de energía). La mayoría de los microscopios electrónicos están equipados con algún tipo de accesorio de espectrometría de rayos X.
La espectrometría de dispersión de ondas se caracteriza por una precisión especialmente alta. Con la ayuda de filtros especiales, se seleccionan los picos más intensos del espectro, gracias a los cuales es posible obtener una radiación casi monocromática con una frecuencia conocida con precisión. El material del ánodo se elige con mucho cuidado para garantizar que se obtenga un haz monocromático de la frecuencia deseada. Su difracción en la red cristalina de la sustancia estudiada permite estudiar la estructura de la red con gran precisión. Este método también se utiliza en el estudio del ADN y otras moléculas complejas.
Una de las características de la radiación de rayos X característica también se tiene en cuenta en la espectrometría gamma. Esta es la alta intensidad de los picos característicos. Los espectrómetros gamma usan blindaje de plomo contra la radiación de fondo externa que interfiere con las mediciones. Pero el plomo, al absorber los cuantos gamma, experimenta una ionización interna, como resultado de lo cual emite activamente en el rango de rayos X. Se utiliza un blindaje de cadmio adicional para absorber los picos intensos de la radiación de rayos X característica del plomo. Este, a su vez, se ioniza y también emite rayos X. Para neutralizar los picos característicos de cadmio, se utiliza una tercera capa de protección: cobre, cuyos máximos de rayos X se encuentran fuera del rango de frecuencia de funcionamiento del espectrómetro gamma.
La espectrometría utiliza tanto bremsstrahlung como rayos X característicos. Así, en el análisis de sustancias se estudian los espectros de absorción de rayos X continuos por diversas sustancias.
El descubrimiento y el mérito en el estudio de las propiedades básicas de los rayos X pertenecen legítimamente al científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen. Las asombrosas propiedades de los rayos X descubiertas por él recibieron inmediatamente una gran respuesta en el mundo científico. Aunque entonces, en 1895, el científico apenas podía imaginar qué beneficio, y a veces daño, pueden traer los rayos X.
Descubramos en este artículo cómo este tipo de radiación afecta a la salud humana.
¿Qué es la radiación de rayos X?
La primera pregunta que interesó al investigador fue ¿qué es la radiación de rayos X? Una serie de experimentos permitieron comprobar que se trata de radiación electromagnética con una longitud de onda de 10 -8 cm, que ocupa una posición intermedia entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma.
Aplicación de rayos X
Todos estos aspectos de los efectos destructivos de los misteriosos rayos X no excluyen en absoluto aspectos sorprendentemente extensos de su aplicación. ¿Dónde se utilizan los rayos X?
- Estudio de la estructura de moléculas y cristales.
- Detección de defectos por rayos X (en la industria, detección de defectos en productos).
- Métodos de investigación y terapia médica.
Las aplicaciones más importantes de los rayos X se han hecho posibles debido a las longitudes de onda muy cortas de todo el rango de estas ondas y sus propiedades únicas.
Dado que estamos interesados en el impacto de la radiación de rayos X en las personas que la encuentran solo durante un examen o tratamiento médico, solo consideraremos esta área de aplicación de rayos X.
El uso de los rayos X en medicina.
A pesar de la especial importancia de su descubrimiento, Roentgen no obtuvo una patente para su uso, lo que lo convirtió en un regalo invaluable para toda la humanidad. Ya en la Primera Guerra Mundial, se comenzaron a utilizar unidades de rayos X, lo que permitió diagnosticar de manera rápida y precisa a los heridos. Ahora podemos distinguir dos áreas principales de aplicación de los rayos X en medicina:
- diagnóstico por rayos X;
- terapia de rayos x.
diagnóstico por rayos X
El diagnóstico por rayos X se utiliza en varias opciones:
Echemos un vistazo a la diferencia entre estos métodos.
Todos estos métodos de diagnóstico se basan en la capacidad de los rayos X para iluminar la película y en su diferente permeabilidad a los tejidos y al esqueleto óseo.
terapia de rayos x
La capacidad de los rayos X para tener un efecto biológico sobre los tejidos se utiliza en medicina para el tratamiento de tumores. El efecto ionizante de esta radiación se manifiesta más activamente en el efecto sobre las células que se dividen rápidamente, que son las células de los tumores malignos.
Sin embargo, también debe ser consciente de los efectos secundarios que inevitablemente acompañan a la radioterapia. El hecho es que las células de los sistemas hematopoyético, endocrino e inmunológico también se dividen rápidamente. Un impacto negativo en ellos da lugar a signos de enfermedad por radiación.
El efecto de la radiación de rayos X en los humanos.
Poco después del notable descubrimiento de los rayos X, se descubrió que los rayos X tenían un efecto en los humanos.
Estos datos se obtuvieron en experimentos con animales de experimentación; sin embargo, los genetistas sugieren que se pueden aplicar efectos similares en el cuerpo humano.
El estudio de los efectos de la exposición a los rayos X ha permitido desarrollar estándares internacionales a las dosis permitidas de radiación.
Dosis de radiación de rayos X en el diagnóstico por rayos X
Después de visitar la sala de rayos X, muchos pacientes están preocupados: ¿cómo afectará la dosis de radiación recibida a su salud?
La dosis de irradiación general del cuerpo depende de la naturaleza del procedimiento. Por conveniencia, compararemos la dosis recibida con la exposición natural, que acompaña a una persona a lo largo de su vida.
- Radiografía: tórax: la dosis de radiación recibida es equivalente a 10 días de exposición de fondo; parte superior del estómago e intestino delgado - 3 años.
- Tomografía computarizada de la cavidad abdominal y la pelvis, así como de todo el cuerpo: 3 años.
- Mamografía - 3 meses.
- La radiografía de las extremidades es prácticamente inofensiva.
- Con respecto a las radiografías dentales, la dosis de radiación es mínima, ya que el paciente está expuesto a un haz estrecho de rayos X con una duración de radiación corta.
Estas dosis de radiación cumplen con los estándares aceptables, pero si el paciente se siente ansioso antes de la radiografía, tiene derecho a solicitar un delantal protector especial.
Exposición de rayos X a mujeres embarazadas
Cada persona debe someterse a un examen de rayos X repetidamente. Pero hay una regla: este método de diagnóstico no se puede recetar a mujeres embarazadas. El embrión en desarrollo es extremadamente vulnerable. Las radiografías pueden causar anomalías cromosómicas y, en consecuencia, el nacimiento de niños con malformaciones. El más vulnerable en este sentido es la edad gestacional de hasta 16 semanas. Además, lo más peligroso para el futuro bebé es una radiografía de la columna vertebral, las regiones pélvica y abdominal.
Al conocer el efecto perjudicial de los rayos X en el embarazo, los médicos evitan usarlos de todas las formas posibles durante este período crucial en la vida de una mujer.
Sin embargo, existen fuentes secundarias de rayos X:
- microscopios electrónicos;
- cinescopios de TV a color, etc.
Las futuras madres deben ser conscientes del peligro que representan.
Para las madres lactantes, el radiodiagnóstico no es peligroso.
Qué hacer después de una radiografía
Para evitar incluso los efectos mínimos de la exposición a los rayos X, se pueden seguir algunos pasos simples:
- después de una radiografía, beba un vaso de leche; elimina pequeñas dosis de radiación;
- muy útil tomando una copa de vino seco o jugo de uva;
- algún tiempo después del procedimiento, es útil aumentar la proporción de alimentos con un alto contenido de yodo (mariscos).
¡Pero no se requieren procedimientos médicos ni medidas especiales para eliminar la radiación después de una radiografía!
A pesar de las consecuencias indudablemente graves de la exposición a los rayos X, no se debe sobrestimar su peligro durante los exámenes médicos: se llevan a cabo solo en ciertas áreas del cuerpo y muy rápidamente. Los beneficios de ellos superan muchas veces el riesgo de este procedimiento para el cuerpo humano.
La radiación de rayos X juega un papel muy importante en la medicina moderna; la historia del descubrimiento de los rayos X se remonta al siglo XIX.
Los rayos X son ondas electromagnéticas que se producen con la participación de electrones. Con una fuerte aceleración de partículas cargadas, se crean rayos X artificiales. Pasa a través de equipos especiales:
- aceleradores de partículas
Historial de descubrimiento
Estos rayos fueron inventados en 1895 por el científico alemán Roentgen: mientras trabajaba con un tubo de rayos catódicos, descubrió el efecto de fluorescencia del cianuro de platino y bario. Luego hubo una descripción de tales rayos y su asombrosa habilidad para penetrar los tejidos del cuerpo. Los rayos comenzaron a llamarse rayos x (rayos x). Más tarde en Rusia comenzaron a llamarse rayos X.
Los rayos X pueden penetrar incluso a través de las paredes. Entonces Roentgen se dio cuenta de que había hecho el mayor descubrimiento en el campo de la medicina. Fue a partir de este momento que comenzaron a formarse secciones separadas en la ciencia, como la radiología y la radiología.
Los rayos pueden penetrar los tejidos blandos, pero se retrasan, su longitud está determinada por el obstáculo de una superficie dura. Los tejidos blandos del cuerpo humano son la piel y los tejidos duros son los huesos. En 1901, el científico recibió el Premio Nobel.
Sin embargo, incluso antes del descubrimiento de Wilhelm Conrad Roentgen, otros científicos también estaban interesados en un tema similar. En 1853, el físico francés Antoine-Philiber Mason estudió una descarga de alto voltaje entre electrodos en un tubo de vidrio. El gas contenido en él a baja presión comenzó a emitir un brillo rojizo. Bombear el exceso de gas del tubo condujo a la descomposición del brillo en una secuencia compleja de capas luminosas individuales, cuyo tono dependía de la cantidad de gas.
En 1878, William Crookes (físico inglés) sugirió que la fluorescencia se produce debido al impacto de los rayos sobre la superficie de vidrio del tubo. Pero todos estos estudios no se publicaron en ninguna parte, por lo que Roentgen no sabía de tales descubrimientos. Después de la publicación de sus descubrimientos en 1895 en una revista científica, donde el científico escribió que todos los cuerpos son transparentes a estos rayos, aunque en un grado muy diferente, otros científicos se interesaron en experimentos similares. Confirmaron la invención de Roentgen y comenzaron un mayor desarrollo y mejora de los rayos X.
El mismo Wilhelm Roentgen publicó dos más trabajo científico sobre el tema de los rayos X en 1896 y 1897, tras lo cual se dedicó a otras actividades. Así, varios científicos inventaron, pero fue Roentgen quien publicó artículos científicos sobre este tema.
Principios de imagen
Las características de esta radiación están determinadas por la naturaleza misma de su apariencia. La radiación se produce debido a una onda electromagnética. Sus principales propiedades incluyen:
- Reflexión. Si la onda golpea la superficie perpendicularmente, no se reflejará. En algunas situaciones, un diamante tiene la propiedad de reflexión.
- La capacidad de penetrar el tejido. Además, los rayos pueden atravesar superficies opacas de materiales tales como madera, papel y similares.
- absorbencia. La absorción depende de la densidad del material: cuanto más denso es, más rayos X lo absorben.
- Algunas sustancias emiten fluorescencia, es decir, brillan. Tan pronto como la radiación se detiene, el brillo también desaparece. Si continúa después del cese de la acción de los rayos, este efecto se llama fosforescencia.
- Los rayos X pueden iluminar películas fotográficas, al igual que la luz visible.
- Si el haz atravesó el aire, entonces se produce la ionización en la atmósfera. Este estado se denomina eléctricamente conductivo y se determina mediante un dosímetro, que establece la tasa de dosificación de radiación.
Radiación - daño y beneficio
Cuando se hizo el descubrimiento, el físico Roentgen ni siquiera podía imaginar lo peligroso que era su invento. En los viejos tiempos, todos los dispositivos que producían radiación estaban lejos de ser perfectos y, como resultado, se obtenían grandes dosis de rayos emitidos. La gente no entendía los peligros de tal radiación. Aunque algunos científicos incluso entonces presentaron versiones sobre los peligros de los rayos X.
Los rayos X, al penetrar en los tejidos, tienen un efecto biológico sobre ellos. La unidad de medida de la dosis de radiación es el roentgen por hora. La principal influencia está en los átomos ionizantes que se encuentran dentro de los tejidos. Estos rayos actúan directamente sobre la estructura del ADN de una célula viva. Las consecuencias de la radiación incontrolada incluyen:
- mutación celular;
- la aparición de tumores;
- quemaduras por radiación;
- enfermedad por radiación
Contraindicaciones para los exámenes de rayos X:
- Los pacientes se encuentran en estado crítico.
- período de embarazo debido a impacto negativo a la fruta
- Pacientes con sangrado o neumotórax abierto.
Cómo funcionan los rayos X y dónde se utilizan
- En medicina. El diagnóstico por rayos X se utiliza para los tejidos vivos translúcidos con el fin de identificar algunos trastornos dentro del cuerpo. La terapia de rayos X se realiza para eliminar las formaciones tumorales.
- En la ciencia. Se revela la estructura de las sustancias y la naturaleza de los rayos X. Estos temas son tratados por ciencias como la química, la bioquímica, la cristalografía.
- En la industria. Para detectar violaciones en productos metálicos.
- Por la seguridad de la población. Los haces de rayos X se instalan en aeropuertos y otros en lugares públicos con el fin de controlar el equipaje.
Uso médico de la radiación de rayos X. Los rayos X se utilizan ampliamente en medicina y odontología para los siguientes propósitos:
- Para el diagnóstico de enfermedades.
- Para el seguimiento de los procesos metabólicos.
- Para el tratamiento de muchas enfermedades.
El uso de rayos X con fines médicos.
Además de detectar fracturas óseas, los rayos X se utilizan ampliamente con fines médicos. La aplicación especializada de rayos X es para lograr los siguientes objetivos:
- Para destruir las células cancerosas.
- Para reducir el tamaño del tumor.
- Para reducir el dolor.
Por ejemplo, el yodo radiactivo, que se usa en enfermedades endocrinológicas, se usa activamente en el cáncer de tiroides, lo que ayuda a muchas personas a deshacerse de esta terrible enfermedad. Actualmente, para diagnosticar enfermedades complejas, se conectan rayos X a computadoras, como resultado, hay últimos métodos estudios como la tomografía axial computarizada.
Tal escaneo proporciona a los médicos imágenes en color que muestran los órganos internos de una persona. Para identificar el trabajo órganos internos una pequeña dosis de radiación es suficiente. Los rayos X también se utilizan ampliamente en fisioterapia.
Propiedades básicas de los rayos X.
- capacidad de penetración. Todos los cuerpos son transparentes a los rayos X y el grado de transparencia depende del grosor del cuerpo. Es por esta propiedad que el rayo comenzó a usarse en medicina para detectar el funcionamiento de los órganos, la presencia de fracturas y cuerpos extraños en el cuerpo.
- Son capaces de provocar el brillo de algunos objetos. Por ejemplo, si se aplica bario y platino al cartón, luego de pasar por el escaneo del haz, brillará de color amarillo verdoso. Si coloca su mano entre el tubo de rayos X y la pantalla, la luz penetrará más en el hueso que en el tejido, por lo que el tejido óseo se resaltará más brillantemente en la pantalla y el tejido muscular será menos brillante. .
- Acción sobre cine. Los rayos X pueden, como la luz, oscurecer la película, esto le permite fotografiar el lado oscuro que se obtiene cuando se examinan los rayos X de los cuerpos.
- Los rayos X pueden ionizar los gases. Esto hace posible no solo encontrar rayos, sino también revelar su intensidad midiendo la corriente de ionización en el gas.
- Tienen un efecto bioquímico en el organismo de los seres vivos. Gracias a esta propiedad, los rayos X han encontrado su amplia aplicación en medicina: pueden tratar tanto enfermedades de la piel como enfermedades de los órganos internos. En este caso, se selecciona la dosis deseada de radiación y la duración de los rayos. El uso prolongado y excesivo de dicho tratamiento es muy dañino y perjudicial para el cuerpo.
La consecuencia del uso de rayos X fue la salvación de muchas vidas humanas. Los rayos X ayudan no solo a diagnosticar la enfermedad de manera oportuna, sino que los métodos de tratamiento que utilizan radioterapia alivian a los pacientes de diversas patologías, desde la hiperfunción de la glándula tiroides hasta los tumores malignos de los tejidos óseos.