Rentgenové záření

Rentgenové záření  - elektromagnetické vlnění , jehož fotonová energie leží na stupnici elektromagnetických vln mezi ultrafialovým zářením a gama zářením (od ~ 10 eV do několika MeV), což odpovídá vlnovým délkám od ~ 10 3 do ~ 10 −2 Å (od ~ 10 2 až do ~ 10 −3 nm ) [1] .

Poloha na stupnici elektromagnetických vln

Energetické rozsahy rentgenového a gama záření se překrývají v širokém energetickém rozsahu. Oba typy záření jsou elektromagnetické záření a jsou ekvivalentní pro stejnou energii fotonu. Terminologický rozdíl spočívá ve způsobu vzniku - rentgenové záření je emitováno za účasti elektronů (buď vázaných v atomech nebo volných), zatímco gama záření je emitováno při procesech deexcitace atomových jader . Fotony charakteristického (tj. emitovaného při přechodech v elektronových obalech atomů) rentgenového záření mají energie od 10  eV do 250 keV , což odpovídá záření o frekvenci 3⋅10 16 až 3⋅10 19  Hz a a vlnová délka 0,005-100  nm (obecně uznávaná definice neexistuje dolní hranice rozsahu rentgenového záření na stupnici vlnových délek). Měkké rentgenové záření se vyznačuje nejnižší fotonovou energií a frekvencí záření (a nejdelší vlnovou délkou), zatímco tvrdé rentgenové záření má nejvyšší fotonovou energii a frekvenci záření (a nejkratší vlnovou délku). Tvrdé rentgenové záření se používá především pro průmyslové účely. Podmíněná hranice mezi měkkým a tvrdým rentgenovým zářením na stupnici vlnových délek je asi 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .

Laboratorní zdroje

Rentgenky

Rentgenové záření vzniká silným zrychlením nabitých částic ( brzdné záření ) nebo vysokoenergetickými přechody v elektronových obalech atomů nebo molekul . Oba efekty se používají v rentgenkách . Hlavními konstrukčními prvky těchto trubic jsou kovová katoda a anoda (dříve nazývaná také antikatoda ). V rentgenových trubicích jsou elektrony emitované z katody urychleny rozdílem elektrického potenciálu mezi anodou a katodou (nevyzařují žádné rentgenové záření, protože zrychlení je příliš nízké) a narazí na anodu, kde jsou náhle zpomaleny. V tomto případě je generováno brzdné záření v oblasti rentgenového záření se spojitým spektrem a současně dochází k vyrážení elektronů z vnitřních elektronových obalů atomů anody. Další elektrony atomu z jeho vnějších obalů přecházejí do prázdných míst (vakancí) v obalech, což vede k emisi rentgenového záření s čárovým energetickým spektrem charakteristickým pro materiál anody ( charakteristické záření , jehož frekvence určuje Moseley 's zákon : kde Z  je atomové číslo prvku anody, A a B  jsou konstanty pro určitou hodnotu hlavního kvantového čísla n elektronového obalu). V současnosti jsou anody vyráběny převážně z keramiky a část, kam dopadají elektrony, je vyrobena z molybdenu nebo mědi .

Při procesu zrychlování-zpomalování jde do rentgenového záření jen asi 1 % kinetické energie elektronu, 99 % energie se přeměňuje na teplo.

Urychlovače částic

Rentgenové záření lze také získat v urychlovačích částic . K takzvanému synchrotronovému záření dochází, když je svazek částic v magnetickém poli vychýlen , v důsledku čehož dochází k jejich zrychlení ve směru kolmém na jejich pohyb. Synchrotronové záření má spojité spektrum s horní hranicí. Při vhodně zvolených parametrech (velikost magnetického pole a energie částic) lze získat rentgenové záření i ve spektru synchrotronového záření.

Interakce s hmotou

Vlnová délka rentgenového záření je srovnatelná s velikostí atomů, takže neexistuje žádný materiál, ze kterého by se dala vyrobit rentgenová čočka . Navíc, když rentgenové záření dopadá kolmo k povrchu, téměř se neodráží. Navzdory tomu byly v rentgenové optice nalezeny metody pro konstrukci optických prvků pro rentgenové záření. Zejména se ukázalo, že diamant je dobře odráží [3] .

Rentgenové záření může pronikat hmotou a různé látky je pohlcují různě. Absorpce rentgenového záření je jejich nejdůležitější vlastností v rentgenové fotografii. Intenzita rentgenového záření klesá exponenciálně v závislosti na dráze uražené v absorbující vrstvě ( I = I 0 e -kd , kde d  je tloušťka vrstvy, koeficient k je úměrný Z ³λ³ , Z  je atomové číslo prvku , λ  je vlnová délka).

Absorpce nastává v důsledku fotoabsorpce ( fotoelektrický jev ) a Comptonova rozptylu :

• Fotoabsorpcí se rozumí proces vyražení elektronu z obalu atomu fotonem, který vyžaduje, aby energie fotonu byla větší než určitá minimální hodnota. Uvážíme-li pravděpodobnost aktu absorpce v závislosti na energii fotonu, pak při dosažení určité energie tato (pravděpodobnost) prudce vzroste na svou maximální hodnotu. Pro vyšší energie pravděpodobnost plynule klesá. Kvůli této závislosti říkají, že existuje limit absorpce . Místo elektronu vyraženého při aktu absorpce je obsazeno jiným elektronem, přičemž je emitováno záření s nižší energií fotonu, tzv. fluorescenční proces .
• Foton rentgenového záření může interagovat nejen s vázanými elektrony, ale také s volnými a slabě vázanými elektrony. Dochází k rozptylu fotonů na elektronech – tzv. Comptonův rozptyl . V závislosti na úhlu rozptylu se vlnová délka fotonu o určitou hodnotu zvětší a podle toho se energie sníží. Comptonův rozptyl ve srovnání s fotoabsorpcí převládá při vyšších energiích fotonů [4] .

Biologický dopad

Rentgenové záření je ionizující . Ovlivňuje tkáně živých organismů a může způsobit nemoc z ozáření, popáleniny z ozáření a zhoubné nádory . Z tohoto důvodu je třeba při práci s rentgenovým zářením dodržovat ochranná opatření . Předpokládá se, že poškození je přímo úměrné absorbované dávce záření. Rentgenové záření je mutagenní faktor.

Registrace

• Luminiscenční efekt . Rentgenové záření může způsobit záře některých látek (fluorescence). Tohoto efektu se využívá v lékařské diagnostice při skiaskopii (pozorování obrazu na fluorescenční obrazovce) a rentgenové fotografii ( radiografie ). Lékařské fotografické filmy se zpravidla používají v kombinaci se zesilovacími obrazovkami, které obsahují rentgenové fosfory, které působením rentgenového záření září a osvětlují fotocitlivou emulzi . Metoda získání obrazu v životní velikosti se nazývá radiografie. Pomocí fluorografie je obraz získán ve zmenšeném měřítku. Luminiscenční látku ( scintilátor ) lze opticky připojit k elektronickému detektoru světla ( fotonásobič , fotodioda atd.), výsledné zařízení se nazývá scintilační detektor . Umožňuje registrovat jednotlivé fotony a měřit jejich energii, protože energie scintilačního záblesku je úměrná energii absorbovaného fotonu.
• fotografický efekt. Rentgenové záření, stejně jako běžné světlo, je schopno přímo osvětlit fotografickou emulzi. Bez fluorescenční vrstvy to však vyžaduje 30 až 100násobek expozice (tedy dávky). Výhodou této metody (známé jako radiografie bez obrazovky ) je, že obraz je ostřejší.
• U polovodičových detektorů vytváří rentgenové záření páry elektron-díra v pn přechodu diody zapojené v blokovacím směru. V tomto případě protéká malý proud , jehož amplituda je úměrná energii a intenzitě dopadajícího rentgenového záření. V pulzním režimu je možné registrovat jednotlivé fotony rentgenového záření a měřit jejich energii.
• Jednotlivé rentgenové fotony lze také registrovat pomocí plynem plněných detektorů ionizujícího záření ( Geigerův počítač , proporcionální komora atd.).

Aplikace

• Pomocí rentgenových paprsků můžete „osvítit“ lidské tělo, v důsledku čehož můžete získat obraz kostí , a v moderních nástrojích a vnitřních orgánech (viz také radiografie a skiaskopie ). To využívá skutečnosti, že prvek vápník ( Z = 20 ) obsažený především v kostech má atomové číslo mnohem větší než atomová čísla prvků tvořících měkké tkáně, a to vodík ( Z = 1 ), uhlík ( Z = 6 ), dusík ( Z = 7 ), kyslík ( Z = 8 ). Kromě běžných zařízení, která poskytují dvourozměrnou projekci studovaného objektu, existují počítačové tomografy , které umožňují získat trojrozměrný obraz vnitřních orgánů.

• Detekce vad ve výrobcích (kolejnice, svary atd.) pomocí rentgenového záření se nazývá rentgenová detekce vad .

• V materiálové vědě , krystalografii , chemii a biochemii se rentgenové záření používá k objasnění struktury látek na atomární úrovni pomocí difrakčního rozptylu rentgenového záření krystaly ( rentgenová difrakční analýza ). Slavným příkladem je stanovení struktury DNA .

• Rentgenové záření lze použít k určení chemického složení látky. V elektronové mikrosondě (nebo v elektronovém mikroskopu ) je analyzovaná látka ozařována elektrony, přičemž atomy jsou ionizovány a emitují charakteristické rentgenové záření . Místo elektronů lze použít rentgenové záření. Tato analytická metoda se nazývá rentgenová fluorescenční analýza .

• Na letištích se aktivně používají rentgenové televizní introskopy , které umožňují prohlížet obsah příručních zavazadel a zavazadel za účelem vizuální detekce nebezpečných předmětů na obrazovce monitoru.

• Rentgenová terapie  je část radiační terapie , která pokrývá teorii a praxi terapeutického využití rentgenového záření generovaného při napětí rentgenové trubice 20-60 kV a kožní ohniskové vzdálenosti 3-7 cm (krátké -dosahová radioterapie) nebo při napětí 180-400 kV a kožní ohniskové vzdálenosti 30-150 cm (radioterapie na dálku). Rentgenová terapie se provádí především u povrchově uložených nádorů a u některých dalších onemocnění, včetně kožních onemocnění (ultrasoft rentgen Bucca).

• Kryptografie je generování náhodných sekvencí.

Přírodní rentgenové záření

Na Zemi vzniká elektromagnetické záření v oblasti rentgenového záření v důsledku ionizace atomů zářením, ke kterému dochází při radioaktivním rozpadu, v důsledku Comptonova jevu záření gama, ke kterému dochází při jaderných reakcích, a také kosmickým zářením . . Radioaktivní rozpad také vede k přímé emisi rentgenových kvant, pokud způsobí přeskupení elektronového obalu rozpadajícího se atomu (například při záchytu elektronů ). Rentgenové záření, které se vyskytuje na jiných nebeských tělesech, se na zemský povrch nedostane , protože je zcela pohlceno atmosférou . Zkoumají ji satelitní rentgenové dalekohledy jako Chandra a XMM-Newton .

Kromě toho v roce 1953 sovětští vědci zjistili, že rentgenové záření může být generováno díky triboluminiscenci , ke které dochází ve vakuu v místě, kde se lepicí páska odlepuje od substrátu, například ze skla nebo když se odvíjí role [5 ] [6] [7] . V roce 2008 provedli američtí vědci experimenty, které ukázaly, že v některých případech je síla záření dostatečná k zanechání rentgenového obrazu na fotografickém papíru [5] [8] .

Historie objevů

Rentgenové záření objevil Wilhelm Konrad Roentgen . Při experimentálním studiu katodových paprsků si večer 8. listopadu 1895 všiml, že lepenka, která se nacházela v blízkosti katodové trubice, potažená kyanidem barnatým a platinou , začíná v temné místnosti zářit. Během několika příštích týdnů studoval všechny základní vlastnosti nově objeveného záření, které nazval rentgenové záření ( "X-rays" ). 22. prosince 1895 Roentgen poprvé veřejně oznámil svůj objev na Fyzikálním institutu univerzity ve Würzburgu [9] . 28. prosince 1895 vyšel v časopise Würzburské fyzicko-lékařské společnosti článek Roentgena s názvem „O novém typu paprsků“ [10] .

Ale ještě 8 let před tím - v roce 1887 zaznamenal Nikola Tesla do svých deníkových záznamů výsledky studia rentgenových paprsků a jimi vyzařovaného brzdného záření , ale ani Tesla, ani jeho okolí nepřikládali těmto pozorováním vážný význam. Navíc už tehdy Tesla naznačoval nebezpečí dlouhodobého vystavení lidskému organismu rentgenovému záření. .

Podle některých zpráv publikovaných teprve v roce 1896 [11] [12] , a v pramenech na ně odkazujících [13] , popsal paprsky s fotochemickým účinkem 11 let před Roentgenem ředitel a učitel fyziky Baku Real School Egor Semjonovič Kamenskij [14] (1838-1895), předseda kroužku milovníků fotografie v Baku. Tajemník tohoto kroužku A. M. Michon údajně také prováděl experimenty v oblasti fotografie, podobné rentgenovému záření. V důsledku projednání otázky přednosti na schůzi Komise pro dějiny fyzikálních a matematických věd Akademie věd SSSR dne 22. února 1949 však bylo přijato rozhodnutí, „uznávající dostupný materiál k problematice objevu rentgenového záření jako nedostatečného k ospravedlnění Kamenského priority, považuji za žádoucí pokračovat v hledání solidnějších a spolehlivějších dat“ [15]

Některé zdroje [13] uvádějí jako objevitele rentgenového záření ukrajinského fyzika Ivana Pavloviče Pulyui , který se o výboje ve vakuových elektronkách začal zajímat 10 let před zveřejněním objevu Roentgenem. Podle těchto prohlášení si Pulyui všiml paprsků, které pronikají neprůhlednými předměty a osvětlují fotografické desky. V roce 1890 prý obdržel a dokonce publikoval v evropských časopisech fotografie kostry žáby a dětské ruky, ale dále paprsky nezkoumal a patent nezískal [13] . Tento názor je vyvrácen v monografii věnované Pulyu od R. Gaidy a R. Plyatska [16] , kde je podrobně rozebrán vznik a vývoj této legendy, a v dalších dílech o historii fyziky [17] . Puluy skutečně významně přispěl ke studiu fyziky rentgenového záření a k metodám jeho aplikace (např. jako první objevil výskyt elektrické vodivosti v plynech ozařovaných rentgenovým zářením), ale po r. objev Roentgena [16] .

Katodovou trubici, kterou Roentgen používal při svých experimentech, vyvinuli J. Hittorf a W. Kruks . Tato trubice produkuje rentgenové záření. To se ukázalo v experimentech Heinricha Hertze a jeho studenta Philipa Lenarda prostřednictvím černění fotografických desek. . Nikdo z nich si však význam svého objevu neuvědomil a své výsledky nezveřejnil.

Z tohoto důvodu Roentgen nevěděl o objevech učiněných před ním a objevil paprsky nezávisle - při pozorování fluorescence, ke které dochází při provozu katodové trubice. Roentgen studoval rentgenové záření něco málo přes rok (od 8. listopadu 1895 do března 1897) a publikoval o něm tři články, které obsahovaly vyčerpávající popis nových paprsků. Následně stovky prací jeho následovníků, vydaných tehdy v průběhu 12 let, nemohly nic podstatného přidat ani změnit. Roentgen, který ztratil zájem o rentgenové záření, řekl svým kolegům: "Všechno jsem již napsal, neztrácejte čas." K Roentgenově slávě přispěla i slavná fotografie ruky Alberta von Kölliker , kterou publikoval ve svém článku (viz obrázek vpravo). Za objev rentgenových paprsků získal Roentgen v roce 1901 první Nobelovu cenu za fyziku a Nobelova komise zdůraznila praktický význam jeho objevu. V jiných zemích se používá preferovaný název Roentgen - X-rays , i když se také používají fráze podobné ruštině ( anglicky  Roentgen rays atd.). V Rusku se paprskům začalo říkat „rentgen“ z iniciativy studenta V. K. Roentgena - Abrama Fedoroviče Ioffeho .

Viz také

• Rentgenová fluorescenční analýza
• Rentgenová optika
• Rentgenový skener založený na zpětném rozptylu
• Seznam kosmických lodí s rentgenovými a gama detektory na palubě

Literatura faktu

• Ždanov G.S. rentgenové paprsky . - Moskva - Leningrad: Státní nakladatelství technické a teoretické literatury, 1949. - 33 s.
• Vlasov P.V. Rozpravy o rentgenovém záření . - Moskva: Mladá garda, 1977. - 222 s.

Poznámky

1. ↑ 1 2 Blokhin M.A. Rentgenové záření // Fyzikální encyklopedie  : [v 5 svazcích] / Kap. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 375-377. - 704 s. - 40 000 výtisků.  - ISBN 5-85270-087-8 .
2. ↑ Deslattes RD et al. Databáze rentgenových přechodových energií: Standardní referenční databáze NIST 128 Archivováno 12. února 2019 na Wayback Machine . září 2005. DOI:10.18434/T4859Z.
3. ↑ Jurij Erin. Byla potvrzena vysoká odrazivost diamantu v oblasti tvrdých rentgenových paprsků . Elements - Science News (3. března 2010). Získáno 11. 5. 2010. Archivováno z originálu 27. 8. 2011. (neurčitý)
4. ↑ X-Ray Scattering by Layered Nanosystems with Rough Interfaces Archivováno 29. prosince 2014 na Wayback Machine . — Nanosystémy, 2012
5. ↑ 1 2 Lepicí páska se ukázala být zdrojem rentgenového záření . Věda a technologie . Lenta.ru (23. října 2008). Získáno 6. července 2020. Archivováno z originálu dne 24. října 2008. (Ruština)
6. ↑ Karasev V. V., Krotova N. A., Deryagin B. V. Zkoumání emise elektronů, když se film s vysokým obsahem polymeru oddělí od skla ve vakuu  // Zprávy Akademie věd SSSR. - M. , 1953. - T. 88 , č. 5 . - S. 777-780 . (Ruština)
7. ↑ Karasev V.V., Krotova N.A., Deryagin B.V. Vyšetřování výboje plynu, když se film s vysokým obsahem polymeru oddělí od pevného obložení  // Zprávy Akademie věd SSSR. - M. , 1953. - T. 89 , č. 1 . - S. 109-112 . (Ruština)
8. ↑ Kenneth Chang. Scotch Tape uvolňuje energii rentgenového záření  . The New York Times (23. října 2008). Získáno 6. července 2020. Archivováno z originálu dne 30. září 2017.
9. ↑ Manolov K., Tyutyunnik V. Biografie atomu. Atom - z Cambridge do Hirošimy. - Upravený jízdní pruh. z bulharštiny .. - M . : Mir , 1984. - S. 17-18. — 246 s.
10. ↑ W.C. Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
11. ↑ " Příroda a lidé ". - Č. 28, 1896.
12. ↑ Kaspické moře. - Noviny. - Baku, 1896.
13. ↑ 1 2 3 Domácí radiologie (nepřístupný odkaz) . Rentgenová diagnostika . Datum přístupu: 16. února 2019. Archivováno z originálu 17. dubna 2012. (neurčitý) 
14. ↑ V některých zdrojích je mylně nazýván Evžen.
15. ↑ V Komisi pro dějiny fyzikálních a matematických věd  // Bulletin Akademie věd SSSR. - 1949. - T. 19 , čís. 4 . - S. 83-84 .
16. ↑ 1 2 Gaida R., Plyatsko R. Ivan Pulyuy. 1845-1918: Zhittєpisno-bіblіografichny naris / Vědecké partnerství pojmenované po Ševčenkovi u Lvova / Oleg Kupchinsky (vyd.). — Lvov. - 1998. - 284 s. - (Náčelníci NPSh; 7). — Na obkl. autor není přidělen. — ISBN 5-7707-8500-4 .
17. ↑ Fialkov L. Ivan Pulyuy nikdy nežádal o dopis od Roentgena  (Ukrajince)  // Bulletin NASU. - 1996. - VIP. 9-10 . - S. 93-95 .

Odkazy

• Stránka s rentgenkou
• Základy rentgenové diagnostiky (německy)
• Etapy vývoje domácích screeningových zařízení  - většina článku hovoří o rentgenových televizních introskopech (rentgenové zařízení pro prosvětlování zavazadel, používané především na letištích ).

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština velká čínština velká čínština velká čínština Skvělý norský Velký Rus Brockhaus a Efron okolo světa okolo světa Malý Brockhaus a Efron Britannica (online) Universalis Universalis
V bibliografických katalozích BNF : 119510960 GND : 4129728-3 J9U : 987007529626905171 LCCN : sh85148749 NDL : 00561905 NKC : ph125192