ФЕДЕРАЛЬНЕ АГЕНЦІЯ З ОСВІТИ РФ

ДЕРЖАВНИЙ ОСВІТНИЙ ЗАКЛАД

ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

МОСКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ІНСТИТУТ СТАЛИ І СПЛАВІВ

(ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ)

НОВОТРОЇЦЬКА ФІЛІЯ

Кафедра ОЕНД

КУРСОВА РОБОТА

Дисципліна: Фізика

Тема: РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Студент: Недорезова Н.О.

Група: ЕіУ-2004-25, № З. К.: 04Н036

Перевірив: Ожегова С.М.

Вступ

Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання

1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада

1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання

Розділ 2. Рентгенівське випромінювання

2.1 Джерела рентгенівських променів

2.2 Властивості рентгенівських променів

2.3 Реєстрація рентгенівських променів

2.4 Застосування рентгенівських променів

Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії

3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури

3.2 Спектральний аналіз

Висновок

Список використаних джерел

Програми

Вступ

Рідкісна людина не проходила через рентгенівський кабінет. Знімки, зроблені в рентгенівському промені, знайомі кожному. У 1995 році виповнилося сто років цього відкриття. Важко уявити, який величезний інтерес викликало воно століття тому. У руках людини опинився апарат, за допомогою якого вдалося побачити невидиме.

Це невидиме випромінювання, здатне проникати, хоча й різною мірою, у всі речовини, що є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі порядку 10 -8 см назвали рентгенівським випромінюванням, на честь Вільгельма Рентгена, що відкрив його.

Як і видиме світло, рентгенівське випромінюваннявикликає почорніння фотоплівки. Це його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи потім фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує у ньому його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаються як світліші ділянки і менш прозоре для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у коренях зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах, у хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів.

Після відкриття Рентгена пішли експерименти інших дослідників, які виявили багато нових властивостей і можливостей застосування цього випромінювання. Великий внесок зробили М. Лауе, В. Фрідріх і П. Кніпінг, що продемонстрували в 1912 р. дифракцію рентгенівського випромінювання при проходженні його через кристал; У. Кулідж, який у 1913 винайшов високовакуумну рентгенівську трубку з підігрітим катодом; Г. Мозлі, що встановив у 1913 залежність між довжиною хвилі випромінювання та атомним номером елемента; Г. і Л. Бреггі, які отримали в 1915 Нобелівську премію за розробку основ рентгено структурного аналізу.

Метою даної курсової роботиє вивчення явища рентгенівського випромінювання, історії відкриття, властивостей та виявлення сфери його застосування.

Розділ 1. Відкриття рентгенівського випромінювання

1.1 Біографія Рентгена Вільгельма Конрада

Вільгельм Конрад Рентген народився 17 березня 1845 р. у прикордонній з Голландією області Німеччини, у місті Ленепі. Він отримав технічну освіту в Цюріху в тій Вищій технічній школі (політехнікумі), в якій пізніше навчався Ейнштейн. Захоплення фізикою змусило його після закінчення школи 1866 р. продовжити фізичну освіту.

Захистивши 1868 р. дисертацію на ступінь доктора філософії, він працював асистентом на кафедрі фізики спочатку в Цюріху, потім у Гісені, а потім у Страсбурзі (1874-1879) у Кундта. Тут Рентген пройшов хорошу експериментальну школу та став першокласним експериментатором. Частину важливих досліджень Рентген виконав зі своїм учнем, одним із засновників радянської фізики А.Ф. Іоффе.

Наукові дослідження відносяться до електромагнетизму, фізики кристалів, оптики, молекулярної фізики.

У 1895 відкрив випромінювання з довжиною хвилі, більш короткою, ніж довжина хвилі ультрафіолетових променів (X-промені), назване надалі рентгенівськими променями, і досліджував їх властивості: здатність відбиватися, поглинатися, іонізувати повітря тощо. Запропонував правильну конструкцію трубки для отримання Х-променів – похилий платиновий антикатод та увігнутий катод: перший зробив фотознімки за допомогою рентгенівських променів. Відкрив у 1885 магнітне поле діелектрика, що рухається в електричному полі (так званий "рентгенів струм"). Його досвід наочно показав, що магнітне поле створюється рухомими зарядами, і мало важливе значення для створення X. Лоренцем електронної теорії. Значна кількість робіт Рентгена присвячена дослідженню властивостей рідин, газів, кристалів, електромагнітних явищ відкрив взаємозв'язок електричних і оптичних явищ у кристалах.За відкриття променів, що носять його ім'я, Рентгену в 1901 першому серед фізиків була присуджена Нобелівська премія.

З 1900 р. і до останніх днівжиття (помер він 10 лютого 1923 р.) він працював у Мюнхенському університеті.

1.2 Відкриття рентгенівського випромінювання

Кінець ХІХ ст. ознаменувався підвищеним інтересом до явищ проходження електрики через гази. Ще Фарадей серйозно займався цими явищами, описав різноманітні форми розряду, відкрив темний простір у стовпі розрідженого газу, що світився. Фарадеєве чорний простір відокремлює синювате, катодне світіння від рожевого, анодного.

Подальше збільшення розрідження газу суттєво змінює характер світіння. Математик Плюкер (1801-1868) виявив у 1859 р., при досить сильному розрідженні слабо блакитний пучок променів, що виходить з катода, що доходить до анода і змушує світитися скло трубки. Учень Плюкера Гітторф (1824-1914) в 1869 р. продовжив дослідження вчителя і показав, що на флюоресціюючої поверхні трубки з'являється чітка тінь, якщо між катодом і цією поверхнею помістити тверде тіло.

Гольдштейн (1850-1931), вивчаючи властивості променів, назвав їх катодними променями (1876). Через три роки Вільям Крукс (1832-1919) довів матеріальну природу катодних променів і назвав їх "променистою матерією"-речовиною, що перебуває в особливому четвертому стані. Його докази були переконливі і наочні. Досліди з "трубкою Крукса" демонструвалися пізніше у всіх фізичних кабін . Відхилення катодного пучка магнітним полем у трубці Крукса стало класичною шкільною демонстрацією.

Проте досліди з електричного відхилення катодних променів були настільки переконливими. Герц не виявив такого відхилення і дійшов висновку, що катодний промінь - це коливальний процес в ефірі. Учень Герца Ф. Ленард, експериментуючи з катодним промінням, в 1893 р. показав, що вони проходять через віконце, закрите алюмінієвою фольгою, і викликають свічення в просторі за віконцем. Яві проходження катодних променів через тонкі металеві тіла Герц присвятив свою останню статтю, опубліковану в 1892 р. Вона починалася словами:

"Катодні промені відрізняються від світла істотним чином щодо здатності проникати через тверді тіла". Описуючи результати дослідів з проходження катодних променів через золоті, срібні, платинові, алюмінієві і т.д. Промені проходять через листочки не прямолінійно, а дифракційно розсіюються.Природа катодних променів все ще залишалася неясною.

Ось із такими трубками Крукса, Ленарда та інших і експериментував Вюрцбурзький професор Вільгельм Конрад Рентген наприкінці 1895 р. Якось після закінчення досвіду, закривши трубку чохлом із чорного картону, вимкнувши світло, але не вимкнувши ще індуктор, що живить трубку, він помітив свічення екрану синьородистого барію, що знаходиться поблизу трубки. Вражений цією обставиною Рентген почав експериментувати з екраном. У своєму першому повідомленні "Про новий род променів", датоване 28 грудня 1895 р., він писав про ці перші досліди: "Шматок паперу, вкритого платиносинородистим барієм, при наближенні до трубки, закритої досить щільно прилеглим до неї чохлом з тонкого чорного картону, при кожному розряді спалахує яскравим світлом: починає флюоресціювати. Флюоресценція видна при достатньому затемненні і не залежить від того, чи підносимо папір стороною, покритою синьородистим барієм або не покритою синьородистим барієм. Флюоресценція помітна на відстані двох метрів від трубки”.

Ретельне дослідження показало Рентгену, що чорний картон, не прозорий ні для видимих ​​і ультрафіолетових променів сонця, ні для променів електричної дуги, пронизується якимось агентом, що викликає флюоресценцію. "Х-промені" для різних речовин. Він виявив, що промені вільно проходять через папір, дерево, ебоніт, тонкі шари металу, але сильно затримуються свинцем.

Потім він описує сенсаційний досвід:

"Якщо тримати між розрядною трубкою і екраном руку, то видно темні тіні кісток у слабких контурах тіні самої руки". Це було перше рентгеноскопічне дослідження людського тіла. Рентген отримав і перші рентгенівські знімки, приклавши їх до своєї руки.

Ці знімки справили величезне враження; відкриття ще не було завершено, а вже розпочала свій шлях рентгенодіагностика. "Моя лабораторія була наповнена лікарями, які наводили пацієнтів, які підозрювали, що вони мають голки у різних частинах тіла", - писав англійський фізик Шустер.

Вже після перших дослідів Рентген твердо встановив, що Х-промені відрізняються від катодних, вони не несуть заряду і не відхиляються магнітним полем, проте збуджуються катодними променями. ”, – писав Рентген.

Він встановив також, що вони збуджуються не лише у склі, а й у металах.

Згадавши про гіпотезу Герца - Ленарда, що катодні промені є явище, що відбувається в ефірі”, Рентген вказує, що “щось подібне ми можемо сказати і про наші промені”. Проте йому не вдалося виявити хвильові властивості променів, вони "поводяться інакше, ніж відомі досі ультрафіолетові, видимі, інфрачервоні промені". За своїми хімічними та люмінесцентними діями вони, на думку Рентгена, подібні до ультрафіолетових променів. залишене потім припущення, що можуть бути поздовжніми хвилями в ефірі.

Відкриття Рентгена викликало величезний інтерес у науковому світі. Його експерименти були повторені майже в усіх лабораторіях світу. У Москві їх повторив П.М. Лебедєв. У Петербурзі винахідник радіо А.С. Попов експериментував з X-променями, демонстрував їх у публічних лекціях, отримуючи різні рентгенограми. У Кембриджі Д.Д. Томсон негайно застосував іонізуючу дію рентгенівських променів вивчення проходження електрики через гази. Його дослідження спричинили відкриття електрона.

Розділ 2. Рентгенівське випромінювання

Рентгенівське випромінювання - електромагнітне іонізуюче випромінювання, що займає спектральну область між гамма - та ультрафіолетовим випромінюванням у межах довжин хвиль від 10 -4 до 10 3 (від 10 -12 до 10 -5 см). л. із довжиною хвилі λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 – м'якими.

2.1 Джерела рентгенівських променів

Найбільш поширене джерело рентгенівських променів - рентгенівська трубка - електровакуумний прилад , що є джерелом рентгенівського випромінювання. Таке випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що випускаються катодом, та їх ударі про анод (антикатод); при цьому енергія електронів, прискорених сильним електричним полем у просторі між анодом та катодом, частково перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. Випромінювання рентгенівської трубки є накладання гальмівного рентгенівського випромінювання на характеристичне випромінювання речовини анода. Рентгенівські трубки розрізняють: за способом отримання потоку електронів - з термоемісійним (підігрівним) катодом, автоемісійним (гострий) катодом, катодом, бомбардування позитивними іонами і з радіоактивним (β) джерелом електронів; за способом вакуумування - відпаяні, розбірні; за часом випромінювання – безперервної дії, імпульсні; за типом охолодження анода - з водяним, масляним, повітряним, радіаційним охолодженням; за розмірами фокусу (області випромінювання на аноді) - макрофокусні, гострофокусні та мікрофокусні; за його формою – кільцевою, круглою, лінійчастою форми; за способом фокусування електронів на анод - з електростатичного, магнітного, електромагнітного фокусування.

Рентгенівські трубки застосовують у рентгенівському структурному аналізі (Додаток 1), рентгенівському спектральному аналізі, дефектоскопії (Додаток 1), рентгенодіагностики (Додаток 1), рентгенотерапії , рентгенівської мікроскопії та мікрорентгенографії. Найбільше застосування у всіх областях знаходять відпаяні рентгенівські трубки з термоемісійним катодом, водоохолоджуваним анодом, електростатичною системою фокусування електронів (Додаток 2). Термоемісійний катод рентгенівських трубок зазвичай є спіраль або пряму нитку з вольфрамового дроту, що розжарюється електричним струмом. Робоча ділянка анода – металева дзеркальна поверхня – розташована перпендикулярно або під деяким кутом до потоку електронів. Для отримання суцільного спектра рентгенівського випромінювання високих енергій та інтенсивності використовують аноди з Au, W; у структурному аналізі користуються рентгенівські трубки з анодами Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag.

Основні характеристики рентгенівських трубок - гранично допустима прискорювальна напруга (1-500 кВ), електронний струм (0,01 мА - 1А), питома потужність, що розсіюється анодом (10-10 4 вт/мм 2), загальна споживана потужність (0,002 вт 60 квт) та розміри фокусу (1 мкм - 10 мм). ККД рентгенівської трубки становить 0,1-3%.

Як джерела рентгенівських променів можуть служити також деякі радіоактивні ізотопи : одні з них безпосередньо випромінюють рентгенівські промені, ядерні випромінювання інших (електрони або λ-частинки) бомбардують металеву мішень, яка випромінює рентгенівські промені. Інтенсивність рентгенівського випромінювання ізотопних джерел на кілька порядків менша за інтенсивність випромінювання рентгенівської трубки, але габарити, вага і вартість ізотопних джерел незрівнянно менша, ніж установки з рентгенівською трубкою.

Джерелами м'яких рентгенівських променів з λ близько десятків і сотень можуть бути синхротрони і накопичувачі електронів з енергіями в кілька Гев. По інтенсивності рентгенівське випромінювання синхротронів перевищує у зазначеній області спектра випромінювання рентгенівської трубки на 2-3 порядки.

Природні джерела рентгенівських променів – Сонце та інші космічні об'єкти.

2.2 Властивості рентгенівських променів

Залежно від механізму виникнення рентгенівських променів, їх спектри можуть бути безперервними (гальмівними) або лінійчастими (характеристичними). Безперервний рентгенівський спектр випромінюють швидкі заряджені частинки внаслідок їх гальмування при взаємодії з атомами мішені; цей спектр досягає значної інтенсивності лише за бомбардування мішені електронами. Інтенсивність гальмівних рентгенівських променів розподілена по всіх частотах до високочастотної межі 0 , на якій енергія фотонів h 0 (h - постійна Планка ) дорівнює енергії eV електронів, що бомбардують (е - заряд електрона, V - різниця потенціалів прискорюючого поля, пройдена ними). Цій частоті відповідає короткохвильова межа спектра 0 = hc/eV (з - швидкість світла).

Лінійчасте випромінювання виникає після іонізації атома з викиданням електрона однієї з внутрішніх оболонок. Така іонізація може бути результатом зіткнення атома з швидкою часткою, наприклад, електроном (первинні рентгенівські промені), або поглинання атомом фотона (флуоресцентні рентгенівські промені). Іонізований атом виявляється у початковому квантовому стані на одному з високих рівнівенергії і через 10 -16 -10 -15 с переходить у кінцевий стан з меншою енергією. При цьому надлишок енергії атом може опустити у вигляді фотона певної частоти. Частоти ліній спектра такого випромінювання характерні атомів кожного елемента, тому лінійний рентгенівський спектр називається характеристическим. Залежність частоти ліній цього діапазону від атомного номера Z визначається законом Мозлі.

Закон Мозлі, закон, що пов'язує частоту спектральних ліній характеристичного рентгенівського випромінювання хімічного елемента з його порядковим номером Експериментально встановлено Г. Мозлі 1913. Відповідно до закону Мозлі, корінь квадратний із частоти  спектральної лінії характеристичного випромінювання елемента є лінійна функція його порядкового номера Z:

де R – Рідберга постійна , S n – постійна екранування, n – головне квантове число. На діаграмі Мозлі (Додаток 3) залежність від Z є рядом прямих (К-, L-, М - і т.д. серії, відповідні значенням n = 1, 2, 3,.).

Закон Мозлі став незаперечним доказом правильності розміщення елементів у періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва і сприяв з'ясовуванню фізичного сенсу Z.

Відповідно до закону Мозлі, рентгенівські характеристичні спектри не виявляють періодичних закономірностей, властивих оптичним спектрам. Це вказує на те, що внутрішні електронні оболонки атомів всіх елементів, що виявляються в характеристичних рентгенівських спектрах, мають аналогічну будову.

Пізніші експерименти виявили деякі відхилення від лінійної залежності для перехідних груп елементів, пов'язані зі зміною порядку заповнення зовнішніх електронних оболонок, а також для важких атомів, що з'являються в результаті релятивістських ефектів (що умовно пояснюються тим, що швидкості внутрішніх можна порівняти зі швидкістю світла).

Залежно від низки факторів - від числа нуклонів в ядрі (ізотонічний зсув), стану зовнішніх електронних оболонок (хімічний зсув) та ін. - становище спектральних ліній на діаграмі Мозлі може дещо змінюватися. Вивчення цих зрушень дає змогу отримувати детальні відомості про атом.

Гальмівне рентгенівське випромінювання, що випромінюється дуже тонкими мішенями, повністю поляризовано поблизу 0; із зменшенням 0 ступінь поляризації падає. Характеристичне випромінювання, зазвичай, не поляризовано.

При взаємодії рентгенівських променів із речовиною може відбуватися фотоефект , що супроводжує його поглинання рентгенівських променів та їх розсіювання, фотоефект спостерігається у тому випадку, коли атом, поглинаючи рентгенівський фотон, викидає один із своїх внутрішніх електронів, після чого може зробити або випромінювальний перехід, випустивши фотон характеристичного випромінювання, або викинути другий електрон при безвипромінювальних перехід (Оже-електрон). Під дією рентгенівських променів на неметалеві кристали (наприклад, на кам'яну сіль) у деяких вузлах атомних ґрат з'являються іони з додатковим позитивним зарядом, а поблизу них опиняються надлишкові електрони. Такі порушення структури кристалів, які називають рентгенівськими екситонами. , є центрами фарбування та зникають лише за значного підвищення температури.

При проходженні рентгенівських променів через шар речовини завтовшки їх початкова інтенсивність I 0 зменшується до величини I = I 0 e - μ x де μ - коефіцієнт ослаблення. Ослаблення I відбувається рахунок двох процесів: поглинання рентгенівських фотонів речовиною і їх напрями під час розсіювання. У довгохвильовій ділянці спектра переважає поглинання рентгенівських променів, у короткохвильовій - їхнє розсіювання. Ступінь поглинання швидко зростає зі збільшенням Z та λ. Наприклад, жорсткі рентгенівські промені вільно проникають через шар повітря ~ 10 см; алюмінієва пластинка товщиною 3 см послаблює рентгенівські промені з λ = 0,027 вдвічі; м'які рентгенівські промені значно поглинаються в повітрі та їх використання та дослідження можливе лише у вакуумі або у слабко поглинаючому газі (наприклад, Не). При поглинанні рентгенівських променів атоми речовини іонізуються.

Вплив рентгенівських променів на живі організми може бути корисним та шкідливим залежно від викликаної ними іонізації у тканинах. Оскільки поглинання рентгенівських променів залежить від λ, інтенсивність їх не може бути мірою біологічної дії рентгенівських променів. Кількісним врахуванням дії рентгенівських променів на речовину займається рентгенометрія , одиницею його вимірювання є рентген

Розсіяння рентгенівських променів в області великих Z та λ відбувається в основному без зміни λ і носить назву когерентного розсіювання, а в області малих Z та λ, як правило, зростає (некогерентне розсіювання). Відомо 2 види некогерентного розсіювання рентгенівських променів - комптонівське та комбінаційне. При комптонівському розсіюванні, що носить характер непружного корпускулярного розсіювання, рахунок частково втраченої рентгенівським фотоном енергії з оболонки атома вилітає електрон віддачі. При цьому зменшується енергія фотона та змінюється його напрямок; зміна залежить від кута розсіювання. При комбінаційному розсіюванні рентгенівського фотона високої енергії на легкому атомі невелика частина його енергії витрачається на іонізацію атома та змінюється напрямок руху фотона. Зміна таких фотонів не залежить від кута розсіювання.

Показник заломлення n для рентгенівських променів відрізняється від 1 на дуже малу величину = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Фазова швидкість рентгенівських променів у середовищі більша за швидкість світла у вакуумі. Відхилення рентгенівських променів при переході з одного середовища до іншого дуже мало (кілька кутових хвилин). При падінні рентгенівських променів із вакууму на поверхню тіла під дуже малим кутом відбувається їхнє повне зовнішнє відображення.

2.3 Реєстрація рентгенівських променів

Око людини до рентгенівських променів не чутливе. Рентгенівські

промені реєструють за допомогою спеціальної рентгенівської фотоплівки, що містить підвищену кількість Ag, Br. В області λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5 чутливість звичайної позитивної фотоплівки досить велика, а її зерна значно менше зерен рентгенівської плівки, що підвищує дозвіл. При λ порядку десятків і сотень рентгенівські промені діють лише на найтонший поверхневий шарфотоемульсії; для підвищення чутливості плівки її сенсибілізують люмінесцентними оліями. У рентгенодіагностиці та дефектоскопії для реєстрації рентгенівських променів іноді застосовують електрофотографію (Електрорентгенографію).

Рентгенівські промені великих інтенсивностей можна реєструвати за допомогою іонізаційної камери (Додаток 4), рентгенівські промені середніх та малих інтенсивностей при λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком з кристалом NaI (Tl) (Додаток 5), при 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Додаток 6) та відпаяним пропорційним лічильником (Додаток 7), при 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Додаток 8). В області дуже великих (від десятків до 1000) для реєстрації рентгенівських променів можуть бути використані вторинно-електронні помножувачі відкритого типу з різними фотокатодами на вході.

2.4 Застосування рентгенівських променів

Найбільш широке застосування рентгенівського променя знайшли в медицині для рентгенодіагностики та рентгенотерапії . Важливе значеннядля багатьох галузей техніки має рентгенівську дефектоскопію. наприклад, для виявлення внутрішніх вад виливків (раковин, включень шлаку), тріщин у рейках, дефектів зварних швів.

Рентгенівський структурний аналіз дозволяє встановити просторове розташування атомів у кристалічній решітці мінералів та сполук, у неорганічних та органічних молекулах. На основі численних вже розшифрованих атомних структур може бути вирішено і обернене завдання: по рентгенограмі полікристалічної речовини, наприклад, легованої сталі, сплаву, руди, місячного грунту, може бути встановлений кристалічний склад цієї речовини, тобто. виконано фазовий аналіз. Численними застосуваннями Р. л. для вивчення властивостей твердих тіл займається рентгенографія матеріалів .

Рентгенівська мікроскопія дозволяє, наприклад, отримати зображення клітини, мікроорганізму, побачити їхню внутрішню будову. Рентгенівська спектроскопія за рентгенівськими спектрами вивчає розподіл щільності електронних станів за енергіями в різних речовинах, досліджує природу хімічного зв'язку, знаходить ефективний заряд іонів у твердих тілах та молекулах Спектральний аналіз рентгенівський по положенню та інтенсивності ліній характеристичного спектру дозволяє встановити якісний та кількісний склад речовини та служить для експресного неруйнівного контролю складу матеріалів на металургійних та цементних заводах, збагачувальних фабриках. При автоматизації цих підприємств застосовуються як датчики складу речовини рентгенівські спектрометри та квантометри.

Рентгенівські промені, що приходять з космосу, несуть інформацію про хімічний склад космічних тіл і фізичні процеси, що відбуваються в космосі. Дослідженням космічних рентгенівських променів займається рентгенівська астрономія. . Потужні рентгенівські промені використовують у радіаційній хімії для стимулювання деяких реакцій, полімеризації матеріалів, крекінгу органічних речовин. Рентгенівські промені застосовують також для виявлення старовинного живопису, прихованого під шаром пізнього розпису, в харчовій промисловості для виявлення сторонніх предметів, що випадково потрапили в харчові продукти, в криміналістиці, археології та ін.

Глава 3. Застосування рентгенівського випромінювання у металургії

Одне з основних завдань рентгеноструктурного аналізу – визначення речовинного чи фазового складу матеріалу. Рентгеноструктурний метод є прямим і характеризується високою достовірністю, експресністю та відносною дешевизною. Метод не вимагає великої кількостіречовини, аналіз можна проводити без руйнування деталі Області застосування якісного фазового аналізу дуже різноманітні і для науково-дослідних робіт, і для контролю у виробництві. Можна перевіряти склад вихідних матеріалів металургійного виробництва, продуктів синтезу, переділу, результат фазових змін при термічній та хіміко-термічній обробці, вести аналіз різних покриттів, тонких плівок тощо.

Кожна фаза, володіючи своєю кристалічною структурою, характеризується певним, властивим лише даній фазі набором дискретних значень міжплощинних відстаней d/n від максимального та нижче. Як випливає з рівняння Вульфа-Брегга, кожному значення міжплощинної відстані відповідає лінія на рентгенограмі від полікристалічного зразка під певним кутом θ (при заданому значенні довжини хвилі λ). Таким чином, певному набору міжплощинних відстаней для кожної фази на рентгенограмі відповідатиме певна система ліній (дифракційних максимумів). Відносна інтенсивність цих ліній на рентгенограмі залежить насамперед від структури фази. Отже, визначивши розташування ліній на рентгенограмі (її кут θ) і знаючи довжину хвилі випромінювання, на якому була знята рентгенограма, можна визначити значення міжплощинних відстаней d/n за формулою Вульфа-Брегга:

/n = λ/ (2sin θ). (1)

Визначивши набір d/n для досліджуваного матеріалу та зіставивши його з відомими наперед даними d/n для чистих речовин, їх різних сполук, можна встановити, яку фазу становить даний матеріал. Слід наголосити, що визначаються саме фази, а не хімічний склад, але останній іноді можна вивести, якщо існують додаткові дані про елементний склад тієї чи іншої фази. Завдання якісного фазового аналізу значно полегшується, якщо відомий хімічний склад досліджуваного матеріалу, тому що тоді можна зробити попередні припущення про можливі даному випадкуфази.

Головне для фазового аналізу – точно виміряти d/n та інтенсивність лінії. Хоча цього в принципі простіше досягти з використанням дифрактометра, фотометод для якісного аналізу має деякі переваги передусім щодо чутливості (можливість помітити присутність у зразку малої кількості фази), а також простоти експериментальної техніки.

Розрахунок d/n по рентгенограмі проводиться за допомогою рівняння Вульфа-Брегга.

Як значення λ у цьому рівнянні зазвичай використовують λ α ср К-серії:

λ α ср = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Іноді використовують лінію К1. Визначення кутів дифракції θ для всіх ліній рентгенограм дозволяє розрахувати d/n за рівнянням (1) та відокремити β-лінії (якщо не було фільтру для (β-променів)).

3.1 Аналіз недосконалостей кристалічної структури

Всі реальні монокристалічні і тим більше полікристалічні матеріали містять ті чи інші структурні недосконалості (точкові дефекти, дислокації, різного типумежі розділу, мікро - і макронапруження), що мають дуже сильний вплив на всі структурно-чутливі властивості та процеси.

Структурні недосконалості викликають різні за характером порушення кристалічних ґрат і, як наслідок, різного типузміни дифракційної картини: зміна міжатомних і міжплощинних відстаней викликає зміщення дифракційних максимумів, мікронапруги і дисперсність субструктури призводять до розширення дифракційних максимумів, мікроспотворення решітки - до зміни інтенсивності цих максимумів, наявність дислокацій викликає аномальні явища при проходженні. рентгенівських топограмах та ін.

Внаслідок цього рентгеноструктурний аналіз є одним із найбільш інформативних методів вивчення структурних недосконалостей, їх типу та концентрації, характеру розподілу.

Традиційний прямий метод рентгенівської дифракції, який реалізується на стаціонарних дифрактометрах, в силу їх конструктивних особливостей дозволяє здійснити кількісне визначення напруги та деформації тільки на малих зразках, вирізаних з деталей або об'єктів.

Тому в даний час відбувається перехід від стаціонарних до портативних малогабаритних рентгенівських дифрактометрів, які забезпечують оцінку напруги у матеріалі деталей або об'єктів без руйнування на стадіях їх виготовлення та експлуатації.

Портативні рентгенівські дифрактометри серії ДРП*1 дозволяють проводити контроль залишкових та діючих напруг у великогабаритних деталях, виробах та конструкціях без руйнування.

Програма серед Windows дозволяє в реальному часі не тільки визначати напруги методом "sin 2 ψ", але й стежити за зміною фазового складу і текстури. Лінійно-координатний детектор забезпечує одночасну реєстрацію в кутах дифракції 2θ = 43°. малогабаритні рентгенівські трубки типу "Лиса" з високою світністю та малою потужністю(5 Вт) забезпечують радіологічну безпеку приладу, при якій на відстані 25 см від ділянки, що опромінюється, рівень радіації дорівнює рівню природного фону. Прилади серії ДРП знаходять застосування щодо напружень на різних стадіях обробки металів тиском, при різанні, шліфуванні, термообробці, зварюванні, поверхневому зміцненні з метою оптимізації цих технологічних операцій. Контроль за падінням рівня наведених залишкових напруг стиснення в особливо відповідальних виробах і конструкціях при їх експлуатації дозволяє вивести виріб з експлуатації до його руйнування, запобігши можливим аваріям і катастрофам.

3.2 Спектральний аналіз

Поряд із визначенням атомної кристалічної структури та фазового складу матеріалу для його повної характеристики обов'язковим є визначення його хімічного складу.

Все частіше цих цілей практично використовують різні, звані інструментальні методи спектрального аналізу. Кожен з них має свої переваги та галузі застосування.

Однією з важливих вимог у багатьох випадках є те, щоб використовуваний метод забезпечив безпеку аналізованого об'єкта; саме такі методи аналізу розглядаються у цьому розділі. p align="justify"> Наступним критерієм, за яким були обрані методи аналізу, описані в цьому розділі, є їх локальність.

Метод флюоресцентного рентгеноспектрального аналізу заснований на проникненні в об'єкт, що аналізується, досить жорсткого рентгенівського випромінювання (від рентгенівської трубки), що проникає в шар товщиною порядку декількох мікрометрів. Виникає при цьому в об'єкті характеристичне рентгенівське випромінювання дозволяє отримати усереднені дані про його хімічний склад.

Для визначення елементного складу речовини можна використовувати аналіз спектру характеристичного рентгенівського випромінювання проби, поміщеної на анод рентгенівської трубки і підданої опромінення флюоресцентний метод.

Недоліком емісійного методу є, по-перше, необхідність приміщення проби на анод рентгенівської трубки з наступним відкачуванням вакуумними насосами; Зрозуміло, цей спосіб непридатний для легкоплавких і летких речовин. Другий недолік пов'язаний з тим, що навіть тугоплавкі об'єкти під впливом бомбардування електронами ушкоджуються. Флюоресцентний метод вільний від цих недоліків і тому має ширше застосування. Перевагою флюоресцентного методу є відсутність гальмівного випромінювання, це сприяє поліпшенню чутливості аналізу. Порівняння виміряних довжин хвиль із таблицями спектральних ліній хімічних елементівстановить основу якісного аналізу, а відносні значення інтенсивності спектральних ліній різних елементів, що утворюють речовину проби, є основою кількісного аналізу. З розгляду механізму збудження характеристичного рентгенівського випромінювання ясно, що випромінювання тієї чи іншої серії (К або L, М тощо) виникають одночасно, причому співвідношення інтенсивностей ліній у межах серії завжди постійно. Тому наявність тієї чи іншої елемента встановлюється за окремими лініями, а, по серії ліній загалом (крім найслабших, з урахуванням змісту даного елемента). Для порівняно легких елементів використовують аналіз ліній K-серії, для важких – ліній L-серії; у різних умовах (залежно від використовуваної апаратури та від аналізованих елементів) можуть бути найзручнішими різні області характеристичного спектра.

Основні особливості рентгеноспектрального аналізу такі.

Простота рентгенівських характеристичних спектрів навіть для важких елементів (порівняно з оптичними спектрами), що спрощує виконання аналізу (мала кількість ліній; подібність у їхньому взаємному розташуванні; зі збільшенням порядкового номеравідбувається закономірне усунення спектра в короткохвильову область, порівняльна простота проведення кількісного аналізу).

Незалежність довжин хвиль стану атомів аналізованого елемента (вільне чи хімічному соединении). Це пов'язано з тим, що характеристичного рентгенівського випромінювання пов'язані з порушенням внутрішніх електронних рівнів, що у більшості випадків практично змінюються від ступеня іонізації атомів.

Можливість поділу в аналізі рідкісноземельних та інших елементів, які мають малі відмінності спектрів в оптичному діапазоні через подібність електронної будови зовнішніх оболонок і дуже мало різняться за своїми хімічними властивостями.

Метод рентгенівської флюоресцентної спектроскопії є "неруйнівним", тому має перевагу перед методом звичайної оптичної спектроскопії при аналізі тонких зразків - тонкий металевий лист, фольга і т.д.

Особливо широке застосування на металургійних підприємствах придбали рентгенівські флюоресцентні спектрометри і серед них багатоканальні спектрометри або квантометри, що забезпечують експресний кількісний аналіз елементів (від Na або Mg до U) з помилкою менше 1% від величини, що визначається, поріг чутливості 10 -3 …10 -4 % .

рентгенівське випромінювання промінь

Способи визначення спектрального складу рентгенівського випромінювання

Спектрометри поділяються на два типи: кристал-дифракційні та безкристальні.

Розкладання рентгенівських променів у спектр за допомогою природної дифракційної решітки- кристала - по суті аналогічно отриманню спектра променів звичайного світла за допомогою штучних дифракційних ґрат у вигляді періодичних штрихів на склі. Умову утворення дифракційного максимуму можна записати як умову відображення від системи паралельних атомних площин, розділених відстанню d hkl .

При проведенні якісного аналізу можна судити про присутність того чи іншого елемента в пробі по одній лінії - зазвичай інтенсивної лінії спектральної серії, придатної для даного кристал-аналізатора. Дозвіл кристал-дифракційних спектрометрів достатньо для поділу характеристичних ліній навіть сусідніх за становищем у періодичній таблиці елементів. Проте треба враховувати ще накладання різних ліній різних елементів, і навіть накладення відбитків різного порядку. Ця обставина має враховуватись при виборі аналітичних ліній. Разом з тим треба використовувати можливості покращення роздільної здатності приладу.

Висновок

Таким чином, рентгенівські промені є невидиме електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 5 - 10 2 нм. Рентгенівські промені можуть проникати через деякі непрозорі для видимого світла матеріали. Випускаються вони при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр). Джерелами рентгенівського випромінювання є: рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів (синхротронне випромінювання). Приймачі – фотоплівка, люмінісцентні екрани, детектори ядерних випромінювань. Рентгенівські промені застосовують у рентгеноструктурному аналізі, медицині, дефектоскопії, рентгенівському спектральному аналізі тощо.

Розглянувши позитивні сторонивідкриття В. Рентгена, необхідно відзначити та його шкідливу біологічну дію. Виявилося, що рентгенівське випромінювання може викликати щось подібне до сильного сонячного опіку (еритему), що супроводжується, однак, більш глибоким і стійким пошкодженням шкіри. Виразки, що з'являлися, нерідко переходять у рак. У багатьох випадках доводилося ампутувати пальці чи руки. Траплялися і смерті.

Було встановлено, що ураження шкіри можна уникнути, зменшивши час та дозу опромінення, застосовуючи екранування (наприклад, свинець) та засоби дистанційного керування. Але поступово виявилися й інші, більш довготривалі наслідки рентгенівського опромінення, які потім підтверджені і вивчені на піддослідних тварин. До ефектів, зумовлених дією рентгенівського випромінювання, а також інших іонізуючих випромінювань (таких, як гамма-випромінювання, що випромінюється радіоактивними матеріалами) відносяться:

) тимчасові зміни у складі крові після відносно невеликого надмірного опромінення;

) незворотні зміни у складі крові (гемолітична анемія) після тривалого надмірного опромінення;

) зростання захворюваності на рак (включаючи лейкемію);

) Швидше старіння і рання смерть;

) виникнення катаракт.

Біологічного впливу рентгенівського випромінювання на організм людини визначається рівнем дози опромінення, і навіть тим, який саме орган тіла піддавався опромінення.

Накопичення знань вплив рентгенівського випромінювання на організм людини призвело до розробки національних і міжнародних стандартів на допустимі дози опромінення, опублікованих у різних довідкових виданнях.

Щоб уникнути шкідливого впливурентгенівського випромінювання застосовують методи контролю:

) наявність адекватного обладнання,

) контроль за дотриманням правил техніки безпеки,

) правильне використання устаткування.

Список використаних джерел

1) Блохін М.А., Фізика рентгенівських променів, 2 видавництва, М., 1957;

) Блохін М.А., Методи рентгено-спектральних досліджень, М., 1959;

) Рентгенівські промені. Зб. за ред. М.А. Блохіна, пров. з ним. та англ., М., 1960;

) Хараджа Ф., Загальний курсрентгенотехніки, 3 видавництва, М. - Л., 1966;

) Міркін Л.І., Довідник з рентгено-структурного аналізу полікристалів, М., 1961;

) Вайнштейн Е.Є., Кахана М.М., Довідкові таблиці з рентгенівської спектроскопії, М., 1953.

) Рентгенографічний та елктронно-оптичний аналіз. Горєлік С.С., Скаков Ю.А., Расторгуєв Л. Н.: Навч. Посібник для вузів. - 4-те вид. Дод. І перероб. - М: "МІСіС", 2002. - 360 с.

Програми

Додаток 1

Загальний вигляд рентгенівських трубок

Додаток 2

Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу

Схема рентгенівської трубки для структурного аналізу: 1 - металева анодна склянка (зазвичай заземляється); 2 - вікна з берилію для виходу рентгенівського випромінювання; 3 – термоемісійний катод; 4 - скляна колба, що ізолює анодну частину трубки від катодної; 5 - висновки катода, до яких підводиться напруга розжарення, а також висока (щодо анода) напруга; 6 – електростатична система фокусування електронів; 7 – анод (антикатод); 8 - патрубки для введення та виведення проточної води, що охолоджує анодну склянку.

Додаток 3

Діаграма Мозлі

Діаграма Мозлі для К-, L- та М-серій характеристичного рентгенівського випромінювання. По осі абсцис відкладено порядковий номер елемента Z, по осі ординат - ( з- швидкість світла).

Додаток 4

Іонізаційна камера.

Рис.1. Переріз циліндричної іонізаційної камери: 1 - циліндричний корпус камери, що служить негативним електродом; 2 - циліндричний стрижень, що служить позитивним електродом; 3 – ізолятори.

Рис. 2. Схема включення струмової іонізаційної камери: V – напруга на електродах камери; G – гальванометр, що вимірює іонізаційний струм.

Рис. 3. Вольтамперна характеристика іонізаційної камери.

Рис. 4. Схема включення імпульсної іонізаційної камери: - ємність збираючого електрода; R – опір.

Додаток 5

Сцинтиляційний лічильник.

Схема сцинтиляційного лічильника: кванти світла (фотони) "вибивають" електрони з фотокатода; рухаючись від динода до динода, електронна лавина розмножується.

Додаток 6

Лічильник Гейгера – Мюллера.

Рис. 1. Схема скляного лічильника Гейгера – Мюллера: 1 – герметично запаяна скляна трубка; 2 – катод (тонкий шар міді на трубці з нержавіючої сталі); 3 – виведення катода; 4 – анод (тонка натягнута нитка).

Рис. 2. Схема включення лічильника Гейгера – Мюллера.

Рис. 3. Рахункова характеристика лічильника Гейгера – Мюллера.

Додаток 7

Пропорційний лічильник.

Схема пропорційного лічильника: а – область дрейфу електронів; б – область газового посилення.

Додаток 8

Напівпровідникові детектори

Напівпровідникові детектори; штрихуванням виділена чутлива область; n - область напівпровідника з електронною провідністю, р - з дірковою, i - з власними провідностями; а – кремнієвий поверхнево-бар'єрний детектор; б – дрейфовий германій-літієвий планарний детектор; в – германій-літієвий коаксіальний детектор.

Випускаються за участю електронів, на відміну від гамма-випромінювання, яке є ядерним. Штучно рентгенівське випромінювання створюється шляхом сильного прискорення заряджених частинок та шляхом переходу електронів з одного енергетичного рівня на інший із вивільненням великої кількості енергії. Пристрої, на яких можна отримати – це рентгенівські трубки та прискорювачі заряджених частинок. Природними джерелами є радіоактивно нестабільні атоми і космічні об'єкти.

Історія відкриття

Воно було зроблено в листопаді 1895 р. Рентгеном - німецьким ученим, який виявив ефект флуоресценції платино-ціаністого барію під час роботи катодопроменевої трубки. Він описав характеристики цих променів докладно, включаючи здатність проникати крізь живі тканини. Вони були названі вченим ікс-променями (X-rays), назва "рентгенівські" прижилася в Росії пізніше.

Чим характеризується цей вид випромінювання

Не дивно, що особливості цього випромінювання обумовлені його природою. Електромагнітна хвиля – ось що таке рентгенівське випромінювання. Властивості його такі:

Рентгенівське випромінювання – шкода

Зрозуміло, в момент відкриття та довгі роки після того ніхто не уявляв, наскільки воно небезпечне.

До того ж, примітивні пристрої, які продукують ці електромагнітні хвилі, через незахищену конструкцію створювали високі дози. Щоправда, припущення про небезпеку для людини цього випромінювання вчені висували тоді. Проходячи крізь живі тканини, рентгенівське випромінювання має біологічну дію на них. Основним впливом є іонізація атомів речовин, у тому числі складаються тканини. Найнебезпечнішим цей ефект стає стосовно ДНК живої клітини. Наслідками впливу рентгенівських променів стають мутації, пухлини, променеві опіки та променева хвороба.

Де застосовуються ікс-промені

1. Медицина. Рентгенодіагностика - "просвічування" живих організмів. Рентгенотерапія – вплив на пухлинні клітини.
2. Наука. Кристалографія, хімія та біохімія використовують їх для виявлення будови речовини.
3. Промисловiсть. Виявлення дефектів металевих деталей.
4. Безпека. Рентгенівське обладнання застосовують виявлення небезпечних предметів у багажі в аеропортах та інших місцях.

У вивченні та практичному використанні атомних явищ одну з найважливіших ролейграють рентгенівські промені. Завдяки їх дослідженню було зроблено безліч відкриттів і розроблені методи аналізу речовини, що застосовуються в різних областях. Тут ми розглянемо один із видів рентгенівських променів - характеристичне рентгенівське випромінювання.

Природа та властивості рентгенівських променів

Рентгенівське випромінювання - це високочастотна зміна стану електромагнітного поля, що розповсюджується у просторі зі швидкістю близько 300 000 км/с, тобто електромагнітні хвилі. На шкалі діапазону електромагнітного випромінювання рентген розташовується в області довжин хвиль приблизно від 10 -8 до 5∙10 -12 метрів, що на кілька порядків коротше за оптичні хвилі. Це відповідає частотам від 3∙10 16 до 6∙10 19 Гц та енергіям від 10 еВ до 250 кеВ, або 1,6∙10 -18 до 4∙10 -14 Дж. Слід зазначити, що межі частотних діапазонів електромагнітного випромінювання досить умовні внаслідок їх перекриття.

Є взаємодія прискорених заряджених частинок (електронів високих енергій) з електричними та магнітними полями та з атомами речовини.

Фотонам рентгенівських променів властиві високі енергії та велика проникна та іонізуюча здатність, особливо для жорсткого рентгена з довжинами хвиль менше 1 нанометра (10 -9 м).

Рентгенівські промені взаємодіють з речовиною, іонізуючи його атоми, у процесах фотоефекту (фотопоглинання) та некогерентного (комптоновського) розсіювання. При фотопоглинанні рентгенівський фотон, поглинаючись електроном атома, передає енергію. Якщо її величина перевищує енергію зв'язку електрона в атомі, він залишає атом. Комптонівське розсіювання притаманно жорсткіших (енергійних) рентгенівських фотонів. Частина енергії фотона, що поглинається, витрачається на іонізацію; при цьому під деяким кутом до напряму первинного фотона випромінюється вторинний з меншою частотою.

Види рентгенівського випромінювання. Гальмівне випромінювання

Для отримання променів використовують скляні вакуумні балони з розташованими всередині електродами. Різниця потенціалів на електродах потрібна дуже висока – до сотень кіловольт. На вольфрамовому катоді, що підігрівається струмом, відбувається термоелектронна емісія, Тобто з нього випромінюються електрони, які, прискорюючись різницею потенціалів, бомбардують анод. У результаті взаємодії з атомами анода (іноді його називають антикатодом) народжуються фотони рентгенівського спектра.

Залежно від того, який процес призводить до народження фотона, розрізняють такі види рентгенівського випромінювання, як гальмівне та характеристичне.

Електрони можуть, зустрічаючись з анодом, гальмуватися, тобто втрачати енергію в електричних полях атомів. Ця енергія випромінюється у формі рентгенівських фотонів. Таке випромінювання називається гальмівним.

Зрозуміло, що умови гальмування відрізнятимуться окремих електронів. Це означає, що у рентгенівське випромінювання перетворюються різні кількості їхньої кінетичної енергії. В результаті гальмівне випромінювання включає фотони різних частот і відповідно довжин хвиль. Тому спектр його є суцільним (безперервним). Іноді його ще називають «білим» рентгенівським випромінюванням.

Енергія гальмівного фотона не може перевищувати кінетичну енергію електрона, що породжує його, так що максимальна частота (і найменша довжина хвилі) гальмівного випромінювання відповідає найбільшого значеннякінетичної енергії, що налітають на анод електронів. Остання залежить від прикладеної до електродів різниці потенціалів.

Існує ще один тип рентгенівського випромінювання, джерелом якого є інший процес. Це випромінювання називають характерним, і ми зупинимося на ньому докладніше.

Як виникає характеристичне рентгенівське випромінювання

Досягнувши антикатода, швидкий електрон може проникнути всередину атома і вибити будь-який електрон з однією з нижніх орбіталей, тобто передати йому достатню енергію для подолання потенційного бар'єру. Однак за наявності в атомі більш високих енергетичних рівнів, зайнятих електронами, місце, що звільнилося, порожнім не залишиться.

Потрібно пам'ятати, що електронна структура атома, як і будь-яка енергетична система, прагне мінімізувати енергію. Вакансія, що утворилася в результаті вибивання, заповнюється електроном з одного з вищележачих рівнів. Його енергія вища, і, займаючи нижчий рівень, він випромінює надлишок у формі кванта характеристичного рентгенівського випромінювання.

Електронна структура атома – це дискретний набір можливих енергетичних станів електронів. Тому рентгенівські фотони, що випромінюються в процесі заміщення електронних вакансій, також можуть мати тільки певні значення енергії, що відображають різницю рівнів. Внаслідок цього характеристичне рентгенівське випромінювання має спектр не суцільного, а лінійного виду. Такий спектр дозволяє характеризувати речовину анода - звідси і назва цих променів. Саме завдяки спектральним відмінностям ясно, що розуміють під гальмівним та характеристичним рентгенівським випромінюванням.

Іноді надлишок енергії не випромінюється атомом, а витрачається вибивання третього електрона. Цей процес – так званий ефект Оже – з більшою ймовірністю відбувається, коли енергія зв'язку електрона не перевищує 1 кеВ. Енергія оже-электрона, що звільняється, залежить від структури енергетичних рівнів атома, тому спектри таких електронів також носять дискретний характер.

Загальний вигляд характеристичного спектру

Вузькі характеристичні лінії є в рентгенівській спектральній картині разом з суцільним гальмівним спектром. Якщо уявити спектр як графіка залежності інтенсивності від довжини хвилі (частоти), у місцях розташування ліній ми побачимо різкі піки. Їхня позиція залежить від матеріалу анода. Ці максимуми присутні за будь-якої різниці потенціалів - якщо є рентгенівські промені, піки теж завжди є. При підвищенні напруги на електродах трубки інтенсивність і суцільного і характеристичного рентгенівського випромінювання наростає, але розташування піків і співвідношення їх інтенсивностей не змінюється.

Піки в рентгенівських спектрах мають однаковий вид незалежно від матеріалу антикатода, що опромінюється електронами, але у різних матеріалів розташовуються на різних частотах, об'єднуючись в серії по близькості значень частоти. Між самими серіями різниця за частотами набагато значніша. Вигляд максимумів ніяк не залежить від того, чи представляє матеріал анода чистий хімічний елемент або це складна речовина. У разі характеристичні спектри рентгенівського випромінювання складових його елементів просто накладаються друг на друга.

З підвищенням порядкового номера хімічного елемента всі лінії рентгенівського спектра зміщуються у бік підвищення частоти. Спектр у своїй зберігає свій вид.

Закон Мозлі

Явище спектрального зсуву характеристичних ліній експериментально виявлено англійським фізиком Генрі Мозлі в 1913 року. Це дозволило йому пов'язати частоти максимумів спектра із порядковими номерами хімічних елементів. Таким чином, і довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання, як з'ясувалося, можна чітко співвіднести з певним елементом. В загальному виглядіЗакон Мозлі можна записати так: √f = (Z - S n)/n√R, де f - частота, Z - порядковий номер елемента, S n - постійна екранування, n - головне квантове число і R - постійна Рідберга. Ця залежність має лінійний характері і на діаграмі Мозлі виглядає як ряд прямих ліній для кожного значення n.

Значення n відповідають окремим серіям піків характеристичного рентгенівського випромінювання. Закон Мозлі дозволяє за вимірюваними значеннями довжин хвиль (вони однозначно пов'язані з частотами) максимумів рентгенівського спектра встановлювати порядковий номер хімічного елемента, що опромінюється твердими електронами.

Структура електронних оболонок хімічних елементів ідентична. На це вказує монотонність зміни зсуву характеристичного спектру рентгенівського випромінювання. Частотний зсув відбиває не структурні, а енергетичні різницю між електронними оболонками, унікальні кожному за елемента.

Роль закону Мозлі в атомній фізиці

Існують невеликі відхилення від суворої лінійної залежності, що виражається законом Мозлі. Вони пов'язані, по-перше, з особливостями порядку заповнення електронних оболонок деяких елементів, і, по-друге, з релятивістськими ефектами руху електронів важких атомів. Крім того, при зміні кількості нейтронів в ядрі (так званому ізотопічному зрушенні) положення ліній може змінюватися. Цей ефект дозволив детально вивчити атомну структуру.

Значення закону Мозлі надзвичайно велике. Послідовне застосування його до елементів періодичної системи Менделєєва встановило закономірність збільшення порядкового номера відповідно до кожного невеликого зсуву характеристичних максимумів. Це сприяло проясненню питання фізичному сенсі порядкового номера елементів. Величина Z - це не просто номер: це позитивний електричний заряд ядра, що є сумою одиничних позитивних зарядів частинок, що входять до його складу. Правильність розміщення елементів у таблиці та наявність у ній порожніх позицій (тоді вони ще існували) отримали сильне підтвердження. Було доведено справедливість періодичного закону.

Закон Мозлі, крім цього, став основою, де виник цілий напрямок експериментальних досліджень - рентгенівська спектрометрія.

Будова електронних оболонок атома

Коротко згадаємо, наскільки влаштована електронна Вона складається з оболонок, що позначаються літерами K, L, M, N, O, P, Q або цифрами від 1 до 7. Електрони в межах оболонки характеризуються однаковим основним квантовим числом n, що визначає можливі значення енергії. У зовнішніх оболонках енергія електронів вища, а потенціал іонізації для зовнішніх електронів відповідно нижче.

Оболонка включає один або кілька підрівнів: s, p, d, f, g, h, i. У кожній оболонці кількість підрівнів збільшується на один, порівняно з попередньою. Кількість електронів у кожному підрівні та кожній оболонці не може перевищувати певного значення. Вони характеризуються, крім головного квантового числа, однаковим значенням орбітальної визначальної форми електронної хмари. Підрівні позначаються із зазначенням оболонки, якій вони належать, наприклад, 2s, 4d тощо.

Підрівень містить які задаються, крім головного та орбітального, ще одним квантовим числом - магнітним, що визначає проекцію орбітального моменту електрона на напрямок магнітного поля. Одна орбіталь може мати не більше двох електронів, що відрізняються значенням четвертого квантового числа – спінового.

Розглянемо докладніше, як з'являється характеристичне рентгенівське випромінювання. Оскільки походження цього електромагнітної емісії пов'язані з явищами, що відбуваються всередині атома, найзручніше описувати його у наближенні електронних змін.

Механізм генерації характеристичного рентгенівського випромінювання

Отже, причиною виникнення даного випромінювання є утворення електронних вакансій у внутрішніх оболонках, зумовлене проникненням високоенергійних електронів глибоко всередину атома. Імовірність те, що жорсткий електрон вступить у взаємодію, зростає зі збільшенням щільності електронних хмар. Отже, найімовірнішим буде зіткнення в межах щільно упакованих внутрішніх оболонок, наприклад, нижньої К-оболонки. Тут атом іонізується, і оболонці 1s утворюється вакансія.

Ця вакансія заповнюється електроном з оболонки з більшою енергією, надлишок якої забирається рентгенівським фотоном. Цей електрон може «впасти» з другої оболонки L, третьої М і так далі. Так формується характеристична серія, даному прикладі- До-серія. Вказівка ​​на те, звідки відбувається електрон, що заповнив вакансію, дається у вигляді грецького індексу при позначенні серії. "Альфа" означає, що він походить з L-оболонки, "бета" - з М-оболонки. В даний час існує тенденція до заміни грецьких літерних індексів латинськими, прийнятими для позначення оболонок.

Інтенсивність альфа-лінії в серії завжди найвища – це означає, що ймовірність заповнення вакансії із сусідньої оболонки найвища.

Тепер ми можемо відповісти на питання, якою є максимальна енергія кванта характеристичного рентгенівського випромінювання. Вона визначається різницею значень енергії рівнів, між якими відбувається перехід електрона, за формулою E = E n 2 - E n 1 , де E n 2 і E n 1 - енергії електронних станів, між якими відбувся перехід. Найвище значення цього параметра дають переходи до серії з максимально високих рівнів атомів важких елементів. Але інтенсивність цих ліній (висота піків) найменша, оскільки найменш ймовірні.

Якщо через недостатність напруги на електродах жорсткий електрон не може досягти К-рівня, він утворює вакансію на L-рівні і формується менш енергійна L-серія з великими довжинами хвиль. Аналогічним чином народжуються такі серії.

Крім того, при заповненні вакансії в результаті електронного переходу виникає нова вакансія у лежачій оболонці. Це створює умови для створення наступної серії. Електронні вакансії переміщуються вище рівня на рівень, і атом випускає каскад характеристичних спектральних серій, залишаючись у своїй іонізованим.

Тонка структура характеристичних спектрів

Атомним рентген-спектрам характеристичного рентгенівського випромінювання властива тонка структура, що виражається, як і оптичних спектрах, в розщепленні ліній.

Тонка структура пов'язана з тим, що енергетичний рівень – електронна оболонка – являє собою набір тісно розташованих компонентів – підболочок. Для характеристики підболінок введено ще одне, внутрішнє квантове число j, що відображає взаємодію власного та орбітального магнітних моментів електрона.

У зв'язку з впливом спін-орбітальної взаємодії енергетична структура атома ускладнюється, і в результаті характеризується рентгенівським випромінюванням має спектр, якому властиві розщеплені лінії з дуже близько розташованими елементами.

Елементи тонкої структури прийнято позначати додатковими цифровими індексами.

Характеристичне рентгенівське випромінювання має особливість, відображену тільки в тонкій структурі спектра. Перехід електрона на нижчий енергетичний рівень не відбувається з нижньої підболочки вище рівня. Така подія має малу ймовірність.

Використання рентгена у спектрометрії

Це випромінювання завдяки своїм особливостям, описаним законом Мозлі, є основою різних рентгеноспектральних методів аналізу речовин. При аналізі рентгенівського спектра застосовують або дифракцію випромінювання на кристалах (хвильоводисперсійний метод), або чутливі до енергії поглинених рентгенівських фотонів детектори (енергодисперсійний метод). Більшість електронних мікроскопів оснащені тими чи іншими рентгеноспектрометричними приставками.

Особливо високою точністю відрізняється хвилодисперсійна спектрометрія. За допомогою спеціальних фільтрів виділяються найінтенсивніші піки в діапазоні, завдяки чому можна отримати фактично монохроматичне випромінювання з точно відомою частотою. Матеріал анода вибирається дуже ретельно, щоб забезпечити отримання монохроматичного пучка потрібної частоти. Його дифракція на кристалічній решітці речовини, що вивчається, дозволяє досліджувати структуру решітки з великою точністю. Цей метод застосовується також у вивченні ДНК та інших складних молекул.

Одна з особливостей характеристичного рентгенівського випромінювання враховується й у гамма-спектрометрії. Це висока інтенсивність характеристичних піків. У гамма-спектрометрах застосовується свинцевий захист від зовнішніх фонових випромінювань, що вносять перешкоди вимірювання. Але свинець, поглинаючи гамма-кванти, відчуває внутрішню іонізацію, у результаті активно випромінює в рентгенівському діапазоні. Для поглинання інтенсивних максимумів характеристичного рентгенівського випромінювання свинцю використовується додаткове кадмієве екранування. Вона, у свою чергу, іонізується і також випромінює рентген. Для нейтралізації характеристичних піків кадмію застосовують третій шар, що екранує, - мідний, рентгенівські максимуми якого лежать поза робочим діапазоном частот гамма-спектрометра.

Спектрометрія використовує і гальмівне і характеристичне рентгенівське випромінювання. Так, під час аналізу речовин досліджуються спектри поглинання суцільного рентгена різними речовинами.

Відкриття і досягнення вивчення основних властивостей рентгенівських променів з повним правом належить німецькому вченому Вільгельму Конраду Рентгену. Дивовижні властивості відкритих ним X-променів, одразу набули величезного резонансу в ученому світі. Хоча тоді, далекого 1895 року, учений навряд міг припустити, яку користь, котрий іноді шкода може принести рентгенівське випромінювання.

Давайте з'ясуємо в цій статті, як цей вид випромінювання впливає на здоров'я людини.

Що таке рентгенівське випромінювання

Перше питання, яке зацікавило дослідника, - що таке рентгенівське випромінювання? Ряд експериментів дозволив переконатися, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 -8 см, що займає проміжне положення між ультрафіолетовим та гамма-випромінюванням.

Застосування рентгенівського випромінювання

Всі перелічені аспекти руйнівного впливу таємничих X-променів зовсім не виключають напрочуд великі аспекти їх застосування. Де ж застосовується рентгенівське випромінювання?

1. Вивчення структури молекул та кристалів.
2. Рентгенівська дефектоскопія (у промисловості виявлення дефектів у виробах).
3. Методи медичного дослідження та терапії.

Найважливіші застосування рентгенівського випромінювання стали можливими завдяки дуже малим довжинам всього діапазону цих хвиль та їх унікальним властивостям.

Оскільки нас цікавить вплив рентгенівського випромінювання на людей, які стикаються з ним лише під час медичного обстеження чи лікування, то далі ми розглядатимемо лише цю сферу застосування рентгену.

Застосування рентгенівського випромінювання у медицині

Незважаючи на особливе значення свого відкриття Рентген не став брати патент на його використання, зробивши безцінним подарунком для всього людства. Уже Першої світової війни стали використовуватися рентгенівські установки, що дозволяли швидко і точно ставити діагнози пораненим. Зараз можна виділити дві основні сфери застосування рентгенівських променів у медицині:

• рентгенодіагностика;
• рентгенотерапія.

Рентгенодіагностика

Рентгенодіагностика використовується у різних варіантах:

Розберемося на відміну від цих методів.

Всі перелічені методи діагностики засновані на здатності рентгенових променів засвічувати фотоплівку та на різній проникності їх для тканин та кісткового скелета.

Рентгенотерапія

Здатність рентгенових променів надавати біологічну дію на тканини, у медицині використовують для терапії пухлин. Іонізуюча дія цього випромінювання найбільш активно проявляється у впливі на клітини, що швидко діляться, якими і є клітини злоякісних пухлин.

Однак, слід знати і про побічні ефекти, що неминуче супроводжують рентгенотерапію. Справа в тому, що швидко діляться також клітини кровотворних, ендокринних, імунних систем. Негативно вплив на них породжує ознаки променевої хвороби.

Вплив рентгенівського випромінювання на людину

Незабаром після чудового відкриття X-променів виявилося, що рентгенівське випромінювання впливає на людину.

Ці дані отримані при експериментах на піддослідних тварин, однак, генетики припускають, що такі наслідки можуть поширюватися і на організм людини.

Вивчення наслідків рентгенівського опромінення дозволило розробити міжнародні стандартина допустимі дози опромінення.

Дози рентгенівського випромінювання при рентгенодіагностиці

Після відвідування рентген-кабінету багато пацієнтів відчувають занепокоєння, - як отримана доза радіації позначиться на здоров'ї?

Доза загального опромінення організму залежить від характеру процедури, що проводиться. Для зручності зіставлятимемо отримувану дозу з природним опроміненням, яке супроводжує людину все життя.

1. Рентгенографія: грудної клітки – отримана доза радіації еквівалентна 10 дням фонового опромінення; верхнього шлунка та тонкого кишечника – 3 рокам.
2. Комп'ютерна томографія органів черевної порожнини та тазу, а також всього тіла - 3 років.
3. Мамографія – 3 місяцях.
4. Рентгенографія кінцівок – практично нешкідлива.
5. Що стосується стоматологічного рентгену, доза опромінення – мінімальна, оскільки на пацієнта впливають вузькоспрямованим пучком рентгенівських променів із малою тривалістю випромінювання.

Ці дози опромінення відповідають допустимим стандартам, але якщо пацієнт перед проходженням рентгена відчуває тривоги, він має право попросити спеціальний захисний фартух.

Вплив рентгенівського випромінювання на вагітних

Рентгенівському обстеженню кожна людина змушена піддаватися неодноразово. Але є правило - цей метод діагностики не можна призначати вагітним жінкам. Ембріон, що розвивається, надзвичайно вразливий. Рентгенівські промені можуть викликати аномалії хромосом і, як наслідок, народження дітей із вадами розвитку. Найуразливішим у цьому плані є термін вагітності до 16 тижнів. Причому найнебезпечніший для майбутнього малюка рентген хребта, тазової та черевної області.

Знаючи про згубний вплив рентгенівського випромінювання на вагітність, лікарі всіляко уникають використовувати його у відповідальний період у житті жінки.

Проте є побічні джерела рентгенівських випромінювань:

• електронні мікроскопи;
• кінескопи кольорових телевізорів тощо.

Майбутнім мамам слід знати про небезпеку, що виходить від них.

Для матерів-годувальниць рентгенодіагностика небезпеки не становить.

Що робити після рентгенівського випромінювання

Щоб уникнути навіть мінімальних наслідків рентгенівського опромінення, можна зробити деякі прості дії:

• після рентгену випити склянку молока, - воно виводить малі дози радіації;
• дуже доречний прийом склянку сухого вина або виноградного соку;
• деякий час після процедури корисно збільшити частку продуктів з підвищеним вмістом йоду (морепродуктів).

Але ніякі лікувальні процедури або спеціальні заходи для виведення радіації після рентгена не потрібні!

Незважаючи на, безперечно, серйозні наслідки від впливу рентгенівських променів, не слід переоцінювати їхню небезпеку при медичних обстеженнях - вони проводяться лише на певних ділянках тіла і дуже швидко. Користь від них значно перевищує ризик цієї процедури для людського організму.

Велику роль сучасної медицині грає рентгенівське випромінювання, історія відкриття рентгена бере свій початок ще 19 столітті.

Рентгенівське випромінювання є електромагнітними хвилями, які утворюються за участю електронів. За сильного прискорення заряджених частинок створюється штучне рентгенівське випромінювання. Воно проходить через спеціальне обладнання:

• прискорювачі заряджених частинок.

Історія відкриття

Винайшов дані промені 1895 німецький вчений Рентген: під час роботи з катодопроменевою трубкою він виявив ефект флуоресценції платино-ціаністого барію. Тоді й відбувся опис таких променів та їхньої дивовижної здатності проникати крізь тканини організму. Промені стали називатися ікс-променями (х-промені). Пізніше у Росії їх стали називати рентгенівськими.

Х-промені здатні проникати навіть крізь стіни. Так Рентген зрозумів, що зробив найбільше відкриття в галузі медицини. Саме з цього часу стали формуватись окремі розділиу науці, такі як рентгенологія та радіологія.

Промені здатні проникати крізь м'які тканини, але затримуються, довжина їх визначається перешкодою твердої поверхні. М'які тканини в людському організмі – це шкіра, а тверді – це кістки. 1901 року вченому присудили Нобелівську премію.

Проте, ще до відкриття Вільгельма Конрада Рентгена подібною темою були зацікавлені й інші вчені. У 1853 році французький фізик Антуан-Філібер Масон вивчав високовольтний розряд між електродами у скляній трубці. Газ, що міститься в ній, при низькому тиску почав випускати червоне свічення. Відкачування зайвого газу з трубки призвело до розпаду світіння на складну послідовність окремих шарів, що світяться, відтінок яких залежав від кількості газу.

В 1878 Вільям Крукс (англійський фізик) висловив припущення про те, що флуоресценція виникає внаслідок наголосу променів про скляну поверхню трубки. Але ці дослідження були ніде опубліковані, тому Рентген не здогадувався про подібні відкриття. Після опублікування своїх відкриттів у 1895 році в науковому журналі, де вчений писав про те, що всі тіла прозорі для цих променів, хоч і дуже різною мірою, подібними експериментами зацікавилися й інші вчені. Вони підтвердили винахід Рентгена, і надалі почалися розробки та вдосконалення ікс-променів.

Сам Вільгельм Рентген опублікував ще дві наукові роботиза темою ікс-променів у 1896 та 1897 роках, після чого зайнявся іншою діяльністю. Таким чином, винайшли кілька вчених, але саме Рентген опублікував наукову працю з цього приводу.

Принципи отримання зображення

Особливості цього випромінювання визначені природою їх появи. Випромінювання відбувається за рахунок електромагнітної хвилі. До основних її властивостей відносяться:

1. Відображення. Якщо хвиля потрапить на поверхню перпендикулярно, вона не позначиться. У деяких ситуаціях властивість відображення має алмаз.
2. Здатність проникати у тканини. Крім цього, промені можуть проходити крізь непрозорі поверхні таких матеріалів, як дерево, папір тощо.
3. Поглинання. Поглинання залежить від щільності матеріалу: чим він щільніший, тим ікс-промені більше його поглинають.
4. У деяких речовин відбувається флуоресценція, тобто свічення. Щойно випромінювання припиняється, світіння теж минає. Якщо воно продовжується і після припинення дії променів, цей ефект має назву фосфоресценція.
5. Рентгенівські промені можуть засвітити фотоплівку, як і і видиме світло.
6. Якщо промінь пройшов крізь повітря, відбувається іонізація в атмосфері. Такий стан називають електропровідним і визначається воно за допомогою дозиметра, яким встановлюється норма дозування опромінення.

Випромінювання — шкода та користь

Коли було зроблено відкриття, вчений-фізик Рентген не міг і уявити, наскільки небезпечним є його винахід. У минулі часи всі пристрої, які продукували випромінювання, були далекі від досконалості й у результаті виходили великі дози випущених променів. Люди не розуміли небезпеки такого випромінювання. Хоча деякі вчені вже тоді висували версії про шкоду рентгенівського проміння.

Х-промені, проникаючи у тканини, надають на них дію біологічного характеру. Одиниця виміру дози радіації – рентген на годину. Основний вплив виявляється на іонізуючі атоми, що знаходяться всередині тканин. Ці промені діють безпосередньо на структуру ДНК живої клітини. До наслідків неконтрольованого випромінювання можна віднести:

• мутація клітин;
• поява пухлин;
• променеві опіки;
• променева хвороба.

Протипоказання до проведення рентгенологічних досліджень:

1. Хворі у тяжкому стані.
2. Період вагітності через негативного впливуна плід.
3. Хворі на кровотечу або відкритий пневмоторакс.

Як працює рентген і де застосовується

1. В медицині. Рентгенодіагностика застосовується для просвічування живих тканин з виявлення деяких порушень всередині організму. Рентгенотерапія проводиться усунення пухлинних утворень.
2. У науці. Виявляється будова речовин та природа рентгенівських променів. Цими питаннями займаються такі науки, як хімія, біохімія, кристалографії.
3. У промисловості. Для виявлення порушень у металевих виробах.
4. Для безпеки населення. Рентгенологічні промені встановлені в аеропортах та інших громадських місцяхз метою просвічування багажу.

Медичне використання рентгенологічного випромінювання. У медицині та стоматології широко застосовуються рентгенівські промені в наступних цілях:

1. Для діагностування хвороб.
2. Для моніторингу метаболічних процесів.
3. Для лікування багатьох захворювань.

Застосування рентген-променів з лікувальною метою

Крім виявлення переломів кісток, рентгенівські промені широко застосовуються і з лікувальною метою. Спеціалізоване застосування х-променів полягає у досягненні наступних цілей:

1. Для знищення ракових клітин.
2. Зменшення розміру пухлини.
3. Для зниження болючих відчуттів.

Наприклад, радіоактивний йод, що застосовується при ендокринологічних захворюваннях, активно використовується при раку щитовидної залози, тим самим допомагаючи багатьом людям позбутися цієї страшної хвороби. В даний час для діагностики складних захворювань рентгенівські промені підключаються до комп'ютерів, в результаті виникають новітні методидослідження, такі як і комп'ютерна осьова томографія.

Таке сканування надає лікарям кольорові знімки, де можна побачити внутрішні органи людини. Для виявлення роботи внутрішніх органівдосить невелика доза випромінювання. Також широке застосування рентгенівські промені знайшли у фізіопроцедурах.

Основні властивості рентгенівських променів

1. Проникаюча здатність. Всі тіла для рентгенівського променя є прозорими, і ступінь прозорості залежить від товщини тіла. Саме завдяки цій властивості промінь став застосовуватися в медицині для виявлення роботи органів, наявності переломів та сторонніх тіл в організмі.
2. Вони здатні викликати свічення деяких предметів. Наприклад, якщо на картон нанести барій і платину, то, пройшовши через сканування променями, він світитиметься зеленувато-жовтим. Якщо помістити руку між трубкою рентгена і екраном, то світло проникне більше в кістку, ніж тканини, тому на екрані висвітиться найяскравіше кісткова тканина, а м'язова менш яскраво.
3. Дія на фотоплівку. Х-промені можуть подібно до світла робити плівку темною, це дозволяє фотографувати ту тіньову сторону, яка виходить при дослідженні рентгенівськими променями тіл.
4. Рентгенівські промені можуть іонізувати гази. Це дозволяє не тільки знаходити промені, але й виявляти їх інтенсивність, вимірюючи струм іонізації в газі.
5. Чинять біохімічний вплив на організм живих істот. Завдяки цій властивості рентгенівські промені знайшли своє широке застосування в медицині: вони можуть лікувати як захворювання шкіри, так і хвороби внутрішніх органів. У цьому випадку вибирається необхідне дозування випромінювання та термін дії променів. Тривале та надмірне застосування такого лікування дуже шкідливе та згубне для організму.

Наслідком використання рентгенівських променів стало порятунок безлічі людських життів. Рентген допомагає не лише своєчасно діагностувати захворювання, методики лікування із застосуванням променевої терапії позбавляють хворих від різних патологій, починаючи з гіперфункції щитовидної залози та закінчуючи злоякісними пухлинами кісткових тканин.