Kaj vemo o rentgenskih žarkih?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

V 19. stoletju se je sevanje, nevidno človeškemu očesu, ki je lahko prehajalo skozi meso in druge materiale, zdelo nekaj povsem fantastičnega. Zdaj se rentgenski žarki pogosto uporabljajo za ustvarjanje medicinskih slik, izvajanje radioterapije, analiziranje umetniških del in reševanje problemov jedrske energije.

Kako so odkrili rentgensko sevanje in kako pomaga ljudem - izvemo skupaj s fizikom Aleksandrom Nikolajevičem Dolgovom.

Odkritje rentgenskih žarkov

Od konca 19. stoletja je znanost začela igrati bistveno novo vlogo pri oblikovanju slike sveta. Pred stoletjem je bila dejavnost znanstvenikov ljubiteljska in zasebna. Vendar se je do konca 18. stoletja zaradi znanstvene in tehnološke revolucije znanost spremenila v sistematično dejavnost, v kateri je s prispevkom številnih strokovnjakov postalo možno vsako odkritje.

Začeli so se pojavljati raziskovalni inštituti, periodične znanstvene revije, pojavila se je konkurenca in boj za priznanje avtorskih pravic za znanstvene dosežke in tehnične inovacije. Vsi ti procesi so se odvijali v Nemškem cesarstvu, kjer je Kaiser do konca 19. stoletja spodbujal znanstvene dosežke, ki so povečali prestiž države na svetovnem prizorišču.

Eden od znanstvenikov, ki so v tem obdobju delali z navdušenjem, je bil profesor fizike, rektor Univerze v Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. novembra 1895 je ostal pozno v laboratoriju, kot se je pogosto dogajalo, in se odločil za eksperimentalno študijo električnega razelektritve v steklenih vakuumskih ceveh. Prostor je zatemnil in eno od cevi zavil v neprozoren črn papir, da bi lažje opazoval optične pojave, ki spremljajo izpust. Na moje presenečenje

Roentgen je na bližnjem zaslonu videl fluorescenčni pas, prekrit s kristali barijevega cianoplatinita. Malo verjetno je, da bi si znanstvenik potem lahko predstavljal, da je bil na robu enega najpomembnejših znanstvenih odkritij svojega časa. Prihodnje leto bo o rentgenskih žarkih napisanih več kot tisoč publikacij, zdravniki bodo izum takoj vzeli v uporabo, zahvaljujoč temu bo v prihodnosti odkrita radioaktivnost in pojavile se bodo nove smeri znanosti.

Roentgen je naslednjih nekaj tednov posvetil raziskovanju narave nerazumljivega sijaja in ugotovil, da se fluorescenca pojavi vsakič, ko je na cev uporabil tok. Cev je bila vir sevanja, ne pa kakšen drug del električnega tokokroga.. Ker ni vedel, s čim se sooča, se je Roentgen odločil, da bo ta pojav označil kot rentgenske žarke ali rentgenske žarke. Nadalje je Roentgen odkril, da lahko to sevanje prodre v skoraj vse predmete na različne globine, odvisno od debeline predmeta in gostote snovi.

Tako se je izkazalo, da je majhen svinčeni disk med izpustno cevjo in zaslonom neprepusten za rentgenske žarke, kosti roke pa so na zaslon oddajale temnejšo senco, obkrožene s svetlejšo senco iz mehkih tkiv. Kmalu je znanstvenik ugotovil, da rentgenski žarki ne povzročajo le sijaja zaslona, prekritega z barijevim cianoplatinitom, temveč tudi zatemnitev fotografskih plošč (po razvoju) na tistih mestih, kjer so rentgenski žarki padli na fotografsko emulzijo.

Med svojimi poskusi je bil Roentgen prepričan, da je odkril znanost neznano sevanje. 28. decembra 1895 je o rezultatih raziskav poročal v članku »O novi vrsti sevanja« v reviji Annals of Physics and Chemistry. Hkrati je znanstvenikom poslal slike roke svoje žene Anne Berthe Ludwig, ki je pozneje postala znana.

Po zaslugi starega Roentgenovega prijatelja, avstrijskega fizika Franza Exnerja, so prebivalci Dunaja 5. januarja 1896 prvi videli te fotografije na straneh časopisa Die Presse. Že naslednji dan so informacije o otvoritvi posredovali časniku London Chronicle. Tako je odkritje Roentgena postopoma začelo vstopati v vsakdanje življenje ljudi. Praktična uporaba je bila najdena skoraj takoj: 20. januarja 1896 so zdravniki v New Hampshiru z novo diagnostično metodo - rentgenskim žarkom - zdravili moškega z zlomljeno roko.

Zgodnja uporaba rentgenskih žarkov

V nekaj letih so se rentgenske slike začele aktivno uporabljati za natančnejše operacije. Že 14 dni po odprtju je Friedrich Otto Valkhoff naredil prvi zobni rentgen. In potem sta skupaj s Fritzom Gieselom ustanovila prvi dentalni rentgenski laboratorij na svetu.

Do leta 1900, 5 let po odkritju, je uporaba rentgenskih žarkov pri diagnostiki veljala za sestavni del medicinske prakse.

Statistični podatki, ki jih je zbrala najstarejša bolnišnica v Pensilvaniji, se lahko štejejo za pokazatelje širjenja tehnologij, ki temeljijo na rentgenskem sevanju. Po njenih besedah je bilo leta 1900 le približno 1-2 % bolnikov prejelo pomoč z rentgenskimi žarki, do leta 1925 pa jih je bilo že 25 %.

Rentgenske žarke so takrat uporabljali na zelo nenavaden način. Uporabljali so jih na primer za zagotavljanje storitev odstranjevanja dlak. Dolgo časa je bila ta metoda boljša v primerjavi z bolj bolečimi - kleščami ali voskom. Poleg tega so bili rentgenski žarki uporabljeni v aparatih za montažo čevljev - poskusnih fluoroskopih (pedoskopih). To so bili rentgenski aparati s posebno zarezo za stopala, pa tudi okna, skozi katera je naročnik in prodajalec lahko ocenil, kako so čevlji sedeli.

Zgodnja uporaba rentgenskega slikanja s sodobnega varnostnega vidika sproža veliko vprašanj. Težava je bila v tem, da se v času odkritja rentgenskih žarkov o sevanju in njegovih posledicah ni vedelo tako rekoč nič, zato so se pionirji, ki so uporabljali nov izum, po lastnih izkušnjah soočili z njegovimi škodljivimi učinki. postal množičen pojav na prelomu iz 19. stoletja XX. stoletja in ljudje so se postopoma začeli zavedati nevarnosti nespametne uporabe rentgenskih žarkov.

Narava rentgenskih žarkov

Rentgensko sevanje je elektromagnetno sevanje z energijami fotonov od ~ 100 eV do 250 keV, ki leži na lestvici elektromagnetnih valov med ultravijoličnim sevanjem in gama sevanjem. Je del naravnega sevanja, ki se pojavi v radioizotopih, ko atome elementov vzbudi tok elektronov, alfa delcev ali gama kvantov, pri katerih se elektroni izvržejo iz elektronskih lupin atoma. Rentgensko sevanje se pojavi, ko se nabiti delci premikajo pospešeno, zlasti ko se elektroni upočasnijo, v električnem polju atomov snovi.

Ločimo mehke in trde rentgenske žarke, med katerimi je pogojna meja na lestvici valovnih dolžin približno 0,2 nm, kar ustreza energiji fotona približno 6 keV. Rentgensko sevanje je zaradi svoje kratke valovne dolžine tako prodorno kot ionizirajoče, saj pri prehodu skozi snov sodeluje z elektroni, jih izloči iz atomov, jih s tem razbije na ione in elektrone ter spremeni strukturo snovi na ki deluje.

Rentgenski žarki povzročijo sijaj kemične spojine, imenovane fluorescenca. Obsevanje atomov vzorca z visokoenergetskimi fotoni povzroči emisijo elektronov – ti zapustijo atom. V eni ali več elektronskih orbitalah nastanejo "luknje" - prosta mesta, zaradi katerih atomi preidejo v vzbujeno stanje, torej postanejo nestabilni. Milijoninke sekunde pozneje se atomi vrnejo v stabilno stanje, ko se prosta mesta v notranjih orbitalah zapolnijo z elektroni iz zunanjih orbital.

Ta prehod spremlja emisija energije v obliki sekundarnega fotona, zato nastane fluorescenca.

Rentgenska astronomija

Na Zemlji redko naletimo na rentgenske žarke, vendar jih precej pogosto najdemo v vesolju. Tam se pojavlja naravno zaradi dejavnosti številnih vesoljskih objektov. To je omogočilo rentgensko astronomijo. Energija rentgenskih fotonov je veliko višja od optičnih, zato v rentgenskem območju oddaja snov, segreto na izjemno visoke temperature.

Ti kozmični viri rentgenskega sevanja za nas niso opazen del naravnega sevanja ozadja in zato na noben način ne ogrožajo ljudi. Edina izjema je lahko takšen vir trdega elektromagnetnega sevanja, kot je eksplozija supernove, ki se je zgodila dovolj blizu sončnega sistema.

Kako umetno ustvariti rentgenske žarke?

Rentgenske naprave se še vedno pogosto uporabljajo za nedestruktivno introskopijo (rentgenske slike v medicini, odkrivanje napak v tehnologiji). Njihova glavna komponenta je rentgenska cev, ki je sestavljena iz katode in anode. Elektrode cevi so priključene na vir visoke napetosti, običajno na desetine ali celo stotine tisoč voltov. Pri segrevanju katoda oddaja elektrone, ki jih pospešuje ustvarjeno električno polje med katodo in anodo.

Pri trku z anodo se elektroni upočasnijo in izgubijo večino energije. V tem primeru se pojavi zavorno sevanje rentgenskega območja, vendar se pretežni del energije elektronov pretvori v toploto, zato se anoda ohladi.

Rentgenska cev stalnega ali impulznega delovanja je še vedno najbolj razširjen vir rentgenskega sevanja, a še zdaleč ni edini. Za pridobitev impulzov sevanja visoke intenzivnosti se uporabljajo visokotokovne razelektritve, pri katerih se plazemski kanal tekočega toka stisne z lastnim magnetnim poljem toka - tako imenovano ščipanje.

Če praznjenje poteka v mediju lahkih elementov, na primer v vodikovem mediju, potem igra vlogo učinkovitega pospeševalnika elektronov z električnim poljem, ki nastane v sami razelektritvi. Ta razelektritev lahko znatno presega polje, ki ga ustvari zunanji vir toka. Na ta način dobimo impulze trdega rentgenskega sevanja z visoko energijo nastalih kvantov (na stotine kiloelektronvoltov), ki imajo visoko prodorno moč.

Za pridobitev rentgenskih žarkov v širokem spektralnem območju se uporabljajo elektronski pospeševalniki - sinhrotroni. V njih nastaja sevanje znotraj obročaste vakuumske komore, v kateri se po krožni orbiti giblje ozko usmerjen snop visokoenergetskih elektronov, pospešen skoraj do svetlobne hitrosti. Med vrtenjem pod vplivom magnetnega polja leteči elektroni oddajajo žarke fotonov tangencialno na orbito v širokem spektru, katerega maksimum pade na območje rentgenskih žarkov.

Kako se odkrijejo rentgenski žarki

Dolgo časa so za zaznavanje in merjenje rentgenskega sevanja uporabljali tanek sloj fosforja ali fotografske emulzije, nanesene na površino steklene plošče ali prozornega polimernega filma. Prvi je pod vplivom rentgenskega sevanja zasijal v optičnem območju spektra, medtem ko se je v filmu pod vplivom kemične reakcije spremenila optična prosojnost prevleke.

Trenutno se za registracijo rentgenskega sevanja najpogosteje uporabljajo elektronski detektorji - naprave, ki ustvarjajo električni impulz, ko se kvant sevanja absorbira v občutljivi prostornini detektorja. Razlikujejo se po principu pretvarjanja energije absorbiranega sevanja v električne signale.

Rentgenske detektorje z elektronsko registracijo lahko razdelimo na ionizacijske, katerih delovanje temelji na ionizaciji snovi, in radioluminiscentne, vključno s scintilacijo, ki uporabljajo luminiscenco snovi pod delovanjem ionizirajočega sevanja. Ionizacijski detektorji pa so glede na detekcijski medij razdeljeni na plinsko napolnjene in polprevodniške.

Glavne vrste detektorjev, napolnjenih s plinom, so ionizacijske komore, Geigerjevi števci (Geiger-Mullerjevi števci) in proporcionalni števci izpusta plina. Kvanti sevanja, ki vstopajo v delovno okolje števca, povzročijo ionizacijo plina in pretok toka, ki se zabeleži. V polprevodniškem detektorju se pod delovanjem kvantov sevanja tvorijo pari elektron-luknja, ki omogočajo tudi pretok električnega toka skozi telo detektorja.

Glavna komponenta scintilacijskih števcev v vakuumski napravi je fotopomnoževalna cev (PMT), ki uporablja fotoelektrični učinek za pretvorbo sevanja v tok nabitih delcev in pojav sekundarne elektronske emisije za povečanje toka nastalih nabitih delcev. Fotopomnožitelj ima fotokatodo in sistem zaporednih pospeševalnih elektrod - dinod, ob udarcu na katere se pospešeni elektroni množijo.

Sekundarni elektronski multiplikator je odprta vakuumska naprava (deluje samo v vakuumskih pogojih), pri kateri se rentgensko sevanje na vhodu pretvori v tok primarnih elektronov in nato ojača zaradi sekundarne emisije elektronov, ko se širijo v multiplikatorskem kanalu..

Po enakem principu delujejo mikrokanalne plošče, ki so ogromno ločenih mikroskopskih kanalov, ki prodirajo v detektor plošč. Dodatno lahko zagotovijo prostorsko ločljivost in oblikovanje optične slike preseka toka, ki vpade na detektor rentgenskega sevanja z bombardiranjem odhajajočega toka elektronov polprozornega zaslona z nanesenim fosforjem.

Rentgenski žarki v medicini

Sposobnost rentgenskih žarkov, da sijejo skozi materialne predmete, ne daje ljudem le zmožnosti ustvarjanja preprostih rentgenskih žarkov, ampak odpira tudi možnosti za naprednejša diagnostična orodja. Na primer, je v središču računalniške tomografije (CT).

Vir rentgenskih žarkov in sprejemnik se vrtita znotraj obroča, v katerem leži pacient. Dobljene podatke o tem, kako tkiva telesa absorbirajo rentgenske žarke, računalniško rekonstruira v 3D sliko. CT je še posebej pomemben za diagnosticiranje možganske kapi, in čeprav je manj natančen kot slikanje z magnetno resonanco možganov, traja veliko manj časa.

Relativno nova smer, ki se zdaj razvija v mikrobiologiji in medicini, je uporaba mehkega rentgenskega sevanja. Ko je živi organizem prosojen, omogoča pridobitev slike krvnih žil, podrobno preučevanje strukture mehkih tkiv in celo izvajanje mikrobioloških študij na celični ravni.

Rentgenski mikroskop, ki uporablja sevanje iz razelektritve ščipa v plazmi težkih elementov, omogoča videti takšne podrobnosti strukture žive celice,ki jih z elektronskim mikroskopom ni mogoče videti niti v posebej pripravljeni celični strukturi.

Ena od vrst sevalne terapije, ki se uporablja za zdravljenje malignih tumorjev, uporablja trde rentgenske žarke, kar postane možno zaradi ionizirajočega učinka, ki uniči tkivo biološkega predmeta. V tem primeru se kot vir sevanja uporablja pospeševalnik elektronov.

Radiografija v tehnologiji

Mehki rentgenski žarki se uporabljajo v raziskavah, katerih cilj je reševanje problema nadzorovane termonuklearne fuzije. Če želite začeti postopek, morate ustvariti povratni udarni val tako, da obsevate majhno tarčo devterija in tritija z mehkimi rentgenskimi žarki iz električnega razelektritve in takoj segrejete lupino te tarče v stanje plazme.

Ta val stisne ciljni material na gostoto, tisočkrat večjo od gostote trdne snovi, in jo segreje na termonuklearno temperaturo. Sprostitev energije termonuklearne fuzije se pojavi v kratkem času, medtem ko se vroča plazma razprši po vztrajnosti.

Sposobnost prosojnosti omogoča radiografijo - tehniko slikanja, ki vam omogoča, da na primer prikažete notranjo strukturo neprozornega predmeta iz kovine. Nemogoče je na oko ugotoviti, ali so konstrukcije mostov trdno zvarjene, ali je šiv na plinovodu nepredušen in ali se tirnice tesno prilegajo drug drugemu.

Zato se v industriji rentgenski žarki uporabljajo za odkrivanje napak - spremljanje zanesljivosti glavnih delovnih lastnosti in parametrov predmeta ali njegovih posameznih elementov, kar ne zahteva odstranitve predmeta iz uporabe ali razstavljanja.

Rentgenska fluorescenčna spektrometrija temelji na učinku fluorescence – analizni metodi, ki se uporablja za določanje koncentracij elementov od berilija do urana v območju od 0,0001 do 100 % v snoveh različnega izvora.

Ko vzorec obsevamo z močnim tokom sevanja iz rentgenske cevi, se pojavi značilno fluorescenčno sevanje atomov, ki je sorazmerno z njihovo koncentracijo v vzorcu. Trenutno skoraj vsak elektronski mikroskop omogoča brez težav določiti podrobno elementarno sestavo preučevanih mikroobjektov z metodo rentgenske fluorescenčne analize.

Rentgenski žarki v zgodovini umetnosti

Sposobnost rentgenskih žarkov, da sijejo skozi in ustvarijo fluorescenčni učinek, se uporablja tudi za preučevanje slik. Kar se skriva pod zgornjim premazom barve, lahko veliko pove o zgodovini nastanka platna. Na primer, v spretnem delu z več plastmi barve je mogoče ugotoviti, da je slika edinstvena v umetnikovem delu. Pri izbiri najprimernejših pogojev za shranjevanje platna je pomembno upoštevati tudi strukturo plasti slike.

Za vse to je nepogrešljivo rentgensko sevanje, ki vam omogoča, da brez škode pogledate pod zgornje plasti slike.

Pomemben razvoj v tej smeri so nove metode, specializirane za delo z umetniškimi deli. Makroskopska fluorescenca je različica rentgenske fluorescenčne analize, ki je zelo primerna za vizualizacijo porazdelitvene strukture ključnih elementov, predvsem kovin, prisotnih na območjih približno 0,5-1 kvadratni meter ali več.

Po drugi strani pa se zdi rentgenska laminografija, različica računalniške rentgenske tomografije, ki je primernejša za preučevanje ravnih površin, obetavna za pridobivanje slik posameznih plasti slike. Te metode je mogoče uporabiti tudi za preučevanje kemične sestave barvnega sloja. To omogoča datiranje platna, vključno z namenom prepoznavanja ponaredka.

Rentgenski žarki vam omogočajo, da ugotovite strukturo snovi

Rentgenska kristalografija je znanstvena smer, povezana z identifikacijo strukture snovi na atomski in molekularni ravni. Posebnost kristalnih teles je večkratno urejeno ponavljanje v prostorski strukturi istih elementov (celic), sestavljenih iz določenega niza atomov, molekul ali ionov.

Glavna raziskovalna metoda je izpostavljanje kristalnega vzorca ozkemu snopu rentgenskih žarkov z uporabo rentgenske kamere. Nastala fotografija prikazuje sliko difrakiranih rentgenskih žarkov, ki prehajajo skozi kristal, iz katerih lahko znanstveniki nato vizualno prikažejo njegovo prostorsko strukturo, imenovano kristalna mreža. Različni načini izvajanja te metode se imenujejo rentgenska strukturna analiza.

Rentgenska strukturna analiza kristaliničnih snovi je sestavljena iz dveh stopenj:

1. Določanje velikosti enotne celice kristala, števila delcev (atomov, molekul) v enotni celici in simetrije razporeditve delcev. Ti podatki so pridobljeni z analizo geometrije lokacije difrakcijskih maksimumov.
2. Izračun elektronske gostote znotraj enotne celice in določitev atomskih koordinat, ki so identificirane s položajem maksimumov elektronske gostote. Ti podatki so pridobljeni z analizo intenzivnosti difrakcijskih maksimumov.

Nekateri molekularni biologi napovedujejo, da bi pri slikanju največjih in najbolj zapletenih molekul rentgensko kristalografijo lahko nadomestila nova tehnika, imenovana kriogena elektronska mikroskopija.

Eno najnovejših orodij v kemični analizi je bil Hendersonov filmski skener, ki ga je uporabil pri svojem pionirskem delu v kriogenski elektronski mikroskopiji. Vendar je ta metoda še vedno precej draga in zato verjetno v bližnji prihodnosti ne bo popolnoma nadomestila rentgenske kristalografije.

Relativno novo področje raziskav in tehničnih aplikacij, povezanih z uporabo rentgenskih žarkov, je rentgenska mikroskopija. Zasnovan je za pridobivanje povečane slike preučevanega predmeta v realnem prostoru v dveh ali treh dimenzijah z uporabo fokusne optike.

Difrakcijska meja prostorske ločljivosti pri rentgenski mikroskopiji je zaradi majhne valovne dolžine uporabljenega sevanja približno 1000-krat boljša od ustrezne vrednosti za optični mikroskop. Poleg tega prodorna moč rentgenskega sevanja omogoča preučevanje notranje strukture vzorcev, ki so popolnoma neprozorni za vidno svetlobo.

In čeprav ima elektronska mikroskopija prednost v nekoliko višji prostorski ločljivosti, ni nedestruktivna metoda raziskovanja, saj zahteva vakuum in vzorce s kovinskimi ali metaliziranimi površinami, kar je na primer za biološke objekte popolnoma destruktivno.