Röntgenstrålning

Röntgenstrålning  - elektromagnetiska vågor , vars fotonenergi ligger på skalan av elektromagnetiska vågor mellan ultraviolett strålning och gammastrålning (från ~ 10 eV till flera MeV), vilket motsvarar våglängder från ~ 10 3 till ~ 10 −2 Å (från ~ 10 2 upp till ~ 10 −3 nm ) [1] .

Position på skalan för elektromagnetiska vågor

Energiområdena för röntgenstrålar och gammastrålar överlappar varandra i ett brett energiintervall. Båda typerna av strålning är elektromagnetisk strålning och är ekvivalenta för samma fotonenergi. Den terminologiska skillnaden ligger i uppkomstsättet - röntgenstrålar sänds ut med deltagande av elektroner (antingen bundna i atomer eller fria) medan gammastrålning sänds ut i processerna för de-excitation av atomkärnor . Karakteristiska fotoner (det vill säga emitteras under övergångar i atomernas elektronskal) röntgenstrålning har energier från 10  eV till 250 keV , vilket motsvarar strålning med en frekvens på 3⋅10 16 till 3⋅10 19  Hz och en våglängd på 0,005-100  nm (allmänt erkänd definition finns det ingen nedre gräns för röntgenområdet i våglängdsskalan). Mjuk röntgenstrålning kännetecknas av den lägsta fotonenergin och strålningsfrekvensen (och den längsta våglängden), medan hård röntgenstrålning har den högsta fotonenergin och strålningsfrekvensen (och den kortaste våglängden). Hårda röntgenstrålar används främst för industriella ändamål. Den villkorliga gränsen mellan mjuka och hårda röntgenstrålar på våglängdsskalan är cirka 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .

Laboratoriekällor

Röntgenrör

Röntgenstrålar uppstår från stark acceleration av laddade partiklar ( bremsstrahlung ), eller från högenergiövergångar i elektronskalen hos atomer eller molekyler . Båda effekterna används i röntgenrör . De huvudsakliga strukturella elementen i sådana rör är en metallkatod och en anod (tidigare även kallad antikatod ). I röntgenrör accelereras elektroner som emitteras från katoden av den elektriska potentialskillnaden mellan anoden och katoden (ingen röntgenstrålning sänds ut eftersom accelerationen är för låg) och träffar anoden, där de bromsas abrupt. I detta fall genereras bremsstrahlung i röntgenområdet med ett kontinuerligt spektrum och elektroner slås samtidigt ut ur anodatomernas inre elektronskal . Andra elektroner i atomen från dess yttre skal passerar till tomma platser (vakanser) i skalen, vilket leder till emission av röntgenstrålning med ett linjeenergispektrum som är karakteristiskt för anodmaterialet ( karakteristisk strålning , vars frekvenser bestäms av Moseley s lag : där Z  är anodelementets atomnummer , A och B  är konstanter för ett visst värde av det huvudsakliga kvanttalet n för elektronskalet). För närvarande är anoder huvudsakligen gjorda av keramik , och den del där elektronerna träffar är gjord av molybden eller koppar .

I processen med acceleration-retardation går endast cirka 1 % av en elektrons kinetiska energi till röntgenstrålar, 99 % av energin omvandlas till värme.

Partikelacceleratorer

Röntgenstrålar kan också erhållas i partikelacceleratorer . Den så kallade synkrotronstrålningen uppstår när en stråle av partiklar i ett magnetfält avböjs , som ett resultat av vilket de upplever acceleration i en riktning vinkelrät mot deras rörelse. Synkrotronstrålning har ett kontinuerligt spektrum med en övre gräns. Med lämpligt valda parametrar (magnetfältets storlek och partiklarnas energi) kan röntgenstrålar även erhållas i spektrumet av synkrotronstrålning.

Interaktion med materia

Våglängden på röntgenstrålar är jämförbar med storleken på atomer, så det finns inget material som kan användas för att göra en röntgenlins . Dessutom, när röntgenstrålar infaller vinkelrätt mot ytan, reflekteras de nästan inte. Trots detta har man inom röntgenoptik hittat metoder för att konstruera optiska element för röntgenstrålar. I synnerhet visade det sig att diamant speglar dem väl [3] .

Röntgenstrålar kan penetrera materia och olika ämnen absorberar dem olika. Absorptionen av röntgenstrålar är deras viktigaste egenskap vid röntgenfotografering. Röntgenstrålningens intensitet minskar exponentiellt beroende på vägen som färdats i det absorberande skiktet ( I = I 0 e -kd , där d  är skikttjockleken, koefficienten k är proportionell mot Z ³λ³ , Z  är grundämnets atomnummer , λ  är våglängden).

Absorption uppstår som ett resultat av fotoabsorption ( fotoelektrisk effekt ) och Compton-spridning :

• Fotoabsorption förstås som processen att slå ut en elektron från skalet på en atom av en foton, vilket kräver att fotonenergin är större än ett visst minimivärde. Om vi ​​betraktar sannolikheten för absorptionshandlingen beroende på fotonens energi, då när en viss energi uppnås, ökar den (sannolikheten) kraftigt till sitt maximala värde. För högre energier minskar sannolikheten kontinuerligt. På grund av detta beroende säger de att det finns en absorptionsgräns . Platsen för elektronen som slås ut under absorptionsakten upptas av en annan elektron, medan strålning med en lägre fotonenergi emitteras, den sk. fluorescensprocess . _
• En röntgenfoton kan interagera inte bara med bundna elektroner, utan även med fria och svagt bundna elektroner. Det finns en spridning av fotoner på elektroner - den sk. Compton-spridning . Beroende på spridningsvinkeln ökar våglängden hos en foton med en viss mängd och följaktligen minskar energin. Comptonspridning, jämfört med fotoabsorption, blir dominerande vid högre fotonenergier [4] .

Biologisk påverkan

Röntgenstrålning är joniserande . Det påverkar levande organismers vävnader och kan orsaka strålsjuka , strålningsbrännskador och maligna tumörer . Av denna anledning måste skyddsåtgärder vidtas vid arbete med röntgen . Man tror att skadan är direkt proportionell mot den absorberade stråldosen . Röntgenstrålning är en mutagen faktor.

Registrering

• Luminescenseffekt . _ Röntgenstrålar kan få vissa ämnen att glöda (fluorescens). Denna effekt används i medicinsk diagnostik under fluoroskopi (observation av en bild på en fluorescerande skärm) och röntgenfotografering ( röntgen ). Medicinska fotografiska filmer används som regel i kombination med förstärkande skärmar, som inkluderar röntgenfosfor, som lyser under inverkan av röntgenstrålar och lyser upp den ljuskänsliga emulsionen . Metoden för att få en bild i naturlig storlek kallas radiografi. Med fluorografi erhålls bilden i förminskad skala. En självlysande substans ( scintillator ) kan anslutas optiskt till en elektronisk ljusdetektor ( fotomultiplikatorrör , fotodiod , etc.), den resulterande enheten kallas en scintillationsdetektor . Det låter dig registrera enskilda fotoner och mäta deras energi, eftersom energin från en scintillationsblixt är proportionell mot energin hos en absorberad foton.
• fotografisk effekt. Röntgenstrålar, såväl som vanligt ljus, kan direkt belysa den fotografiska emulsionen. Men utan det fluorescerande skiktet kräver detta 30 till 100 gånger exponeringen (det vill säga dosen). Fördelen med denna metod (känd som skärmlös radiografi ) är att bilden blir skarpare.
• I halvledardetektorer skapar röntgenstrålar elektron- hålspar i pn-övergången till en diod ansluten i blockeringsriktningen. I detta fall flyter en liten ström , vars amplitud är proportionell mot energin och intensiteten hos den infallande röntgenstrålningen. I pulsat läge är det möjligt att registrera enskilda röntgenfotoner och mäta deras energi.
• Individuella röntgenfotoner kan också registreras med hjälp av gasfyllda detektorer av joniserande strålning ( geigerräknare , proportionell kammare , etc.).

Applikation

• Med hjälp av röntgenstrålar kan du "upplysa" människokroppen, som ett resultat av vilket du kan få en bild av benen , och i moderna instrument och inre organ (se även radiografi och fluoroskopi ). Detta använder det faktum att grundämnet kalcium ( Z = 20 ) som huvudsakligen finns i benen har ett atomnummer som är mycket större än atomnumret för de grundämnen som utgör mjukvävnader, nämligen väte ( Z = 1 ), kol ( Z = 6 ). ( Z =7 ) , syre ( Z = 8 ). Förutom konventionella enheter som ger en tvådimensionell projektion av föremålet som studeras, finns det datortomografer som låter dig få en tredimensionell bild av de inre organen.

• Detektering av defekter i produkter (skenor, svetsar, etc.) med hjälp av röntgenstrålar kallas röntgenfelsdetektering .

• Inom materialvetenskap , kristallografi , kemi och biokemi används röntgenstrålar för att belysa ämnens struktur på atomnivå med hjälp av diffraktionsspridning av röntgenstrålar genom kristaller ( röntgendiffraktionsanalys ). Ett känt exempel är bestämningen av DNA- strukturen .

• Röntgenstrålar kan användas för att bestämma den kemiska sammansättningen av ett ämne. I en elektronstrålemikrosond ( eller i ett elektronmikroskop ) bestrålas det analyserade ämnet med elektroner, medan atomerna joniseras och avger karakteristisk röntgenstrålning . Röntgenstrålar kan användas istället för elektroner. Denna analysmetod kallas röntgenfluorescensanalys .

• På flygplatser används aktivt röntgen-tv-introskop , vilket gör att du kan se innehållet i handbagage och bagage för att visuellt upptäcka föremål som är farliga på skärmen.

• Röntgenterapi  är en sektion av strålterapi som täcker teorin och praktiken för den terapeutiska användningen av röntgenstrålar genererade vid en röntgenrörspänning på 20-60 kV och ett hudfokusavstånd på 3-7 cm (kort -strålbehandling) eller vid en spänning på 180-400 kV och ett hudfokusavstånd 30-150 cm (fjärrstrålbehandling). Röntgenterapi utförs huvudsakligen med ytligt lokaliserade tumörer och med vissa andra sjukdomar, inklusive hudsjukdomar (ultramjuka röntgenstrålar av Bucca).

• Kryptografi är generering av slumpmässiga sekvenser.

Naturliga röntgenstrålar

På jorden bildas elektromagnetisk strålning i röntgenområdet som ett resultat av jonisering av atomer genom strålning som sker under radioaktivt sönderfall, som ett resultat av Compton-effekten av gammastrålning som uppstår under kärnreaktioner, och även av kosmisk strålning . Radioaktivt sönderfall leder också till direkt emission av röntgenkvanta om det orsakar en omarrangering av elektronskalet hos den sönderfallande atomen (till exempel under elektroninfångning ). Röntgenstrålning som uppstår på andra himlakroppar når inte jordens yta , eftersom den absorberas helt av atmosfären . Det studeras av satellitröntgenteleskop som Chandra och XMM -Newton .

Dessutom upptäckte sovjetiska vetenskapsmän 1953 att röntgenstrålar kan alstras på grund av triboluminescens , som sker i vakuum vid den punkt där den självhäftande tejpen lossnar från underlaget, till exempel från glas eller när en rulle rullas upp [5 ] [6] [7] . 2008 genomförde amerikanska forskare experiment som visade att i vissa fall är strålningseffekten tillräcklig för att lämna en röntgenbild på fotografiskt papper [5] [8] .

Upptäcktshistorik

Röntgenstrålar upptäcktes av Wilhelm Konrad Röntgen . När han studerade katodstrålar experimentellt , på kvällen den 8 november 1895, märkte han att kartong, som var nära katodstråleröret, belagd med bariumplatina -cyanid , börjar lysa i ett mörkt rum. Under de närmaste veckorna studerade han alla de grundläggande egenskaperna hos den nyupptäckta strålningen, som han kallade röntgenstrålar ( "röntgenstrålar" ). Den 22 december 1895 gjorde Roentgen det första offentliga tillkännagivandet av sin upptäckt vid fysikinstitutet vid universitetet i Würzburg [9] . Den 28 december 1895 publicerades en artikel av Roentgen med titeln "Om en ny typ av strålar" i tidskriften för Würzburg Physico-Medical Society [10] .

Men till och med 8 år dessförinnan - 1887, registrerade Nikola Tesla i sina dagboksanteckningar resultaten av en studie av röntgenstrålar och den bremsstrålning som sänds ut av dem , men varken Tesla eller hans följe lade stor vikt vid dessa observationer. Dessutom antydde Tesla redan då faran med långvarig exponering för röntgenstrålar på människokroppen. .

Enligt vissa rapporter publicerade först 1896 [11] [12] , och i de källor som hänvisar till dem [13] , beskrevs strålar med en fotokemisk effekt 11 år före Röntgen av direktören och läraren i fysik vid Baku Real School Egor Semyonovich Kamensky [ 14] (1838-1895), ordförande för Baku-kretsen av fotografiälskare. Sekreteraren för denna cirkel , A. M. Michon, påstås också ha genomfört experiment inom fotografiområdet, liknande röntgenstrålar. Men som ett resultat av övervägande av frågan om prioritet vid ett möte med kommissionen för historia av fysikaliska och matematiska vetenskaper vid USSR Academy of Sciences den 22 februari 1949, fattades ett beslut, "som erkänner det tillgängliga materialet i frågan av upptäckten av röntgenstrålar som otillräcklig för att motivera Kamenskys prioritet, anser det vara önskvärt att fortsätta sökandet efter mer solida och tillförlitliga data” [15]

Vissa källor [13] namnger den ukrainske fysikern Ivan Pavlovich Pulyui som upptäckaren av röntgenstrålar , som började intressera sig för urladdningar i vakuumrör 10 år före publiceringen av upptäckten av Roentgen. Enligt dessa uttalanden märkte Pulyui strålar som penetrerar ogenomskinliga föremål och lyser upp fotografiska plattor. År 1890 påstås han ha tagit emot och till och med publicerat i europeiska tidskrifter fotografier av skelettet av en groda och ett barns hand, men han studerade inte strålarna ytterligare och fick patent [13] . Denna åsikt motbevisas i monografin tillägnad Pulyu av R. Gaida och R. Plyatsko [16] , där ursprunget och utvecklingen av denna legend analyseras i detalj, och i andra verk om fysikens historia [17] . Puluy gjorde verkligen ett stort bidrag till studiet av röntgenstrålningens fysik och till metoderna för dess tillämpning (till exempel var han den första som upptäckte uppkomsten av elektrisk ledningsförmåga i gaser bestrålade med röntgenstrålar), men efter upptäckten av Röntgen [16] .

Katodstråleröret som Roentgen använde i sina experiment utvecklades av J. Hittorf och W. Kruks . Detta rör producerar röntgenstrålar. Detta visades i experimenten av Heinrich Hertz och hans elev Philip Lenard genom svärtning av fotografiska plattor. . Men ingen av dem insåg betydelsen av deras upptäckt och publicerade inte sina resultat.

Av denna anledning kände Roentgen inte till de upptäckter som gjorts före honom och upptäckte strålarna oberoende av varandra - samtidigt som han observerade fluorescensen som uppstår under driften av ett katodstrålerör. Roentgen studerade röntgenstrålar i drygt ett år (från 8 november 1895 till mars 1897) och publicerade tre artiklar om dem, som innehöll en uttömmande beskrivning av de nya strålarna. Därefter kunde hundratals verk av hans anhängare, som sedan publicerades under loppet av 12 år, varken lägga till eller ändra något väsentligt. Roentgen, som tappat intresset för röntgen, sa till sina kollegor: "Jag har redan skrivit allt, slösa inte bort din tid." Till Roentgens berömmelse bidrog också det berömda fotografiet av Albert von Köllikers hand , som han publicerade i sin artikel (se bilden till höger). För upptäckten av röntgenstrålar tilldelades Roentgen det första Nobelpriset i fysik 1901 , och Nobelkommittén betonade den praktiska betydelsen av hans upptäckt. I andra länder används Roentgens föredragna namn - röntgen , även om fraser som liknar ryska ( engelska Roentgen strålar , etc.) också används. I Ryssland började strålarna kallas "röntgen" på initiativ av en elev av V.K. Roentgen - Abram Fedorovich Ioffe .  

Se även

• Röntgenfluorescensanalys
• Röntgenoptik
• Röntgenskanner baserad på backscattering
• Lista över rymdfarkoster med röntgen- och gammadetektorer ombord

Facklitteratur

• Zhdanov G.S. Röntgenstrålar . - Moskva - Leningrad: Statens förlag för teknisk och teoretisk litteratur, 1949. - 33 sid.
• Vlasov P.V. Diskurser om röntgen . - Moskva: Young Guard, 1977. - 222 s.

Anteckningar

1. ↑ 1 2 Blokhin M.A. Röntgenstrålning // Fysisk uppslagsverk  : [i 5 volymer] / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 375-377. - 704 sid. - 40 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-087-8 .
2. ↑ Deslattes RD et al. X-Ray Transition Energies Database: NIST Standard Reference Database 128 Arkiverad 12 februari 2019 på Wayback Machine . September 2005. DOI:10.18434/T4859Z.
3. ↑ Yuri Erin. Den höga reflektionsförmågan hos diamant i området för hårda röntgenstrålar har bekräftats . Elements - Science News (3 mars 2010). Hämtad 11 maj 2010. Arkiverad från originalet 27 augusti 2011. (obestämd)
4. ↑ Röntgenspridning av Layered Nanosystems med grova gränssnitt Arkiverad 29 december 2014 på Wayback Machine . — Nanosystems, 2012
5. ↑ 1 2 Tejp visade sig vara en källa till röntgenstrålar . Vetenskap och teknik . Lenta.ru (23 oktober 2008). Hämtad 6 juli 2020. Arkiverad från originalet 24 oktober 2008. (ryska)
6. ↑ Karasev V. V., Krotova N. A., Deryagin B. V. Undersökning av elektronemission när en högpolymerfilm lösgörs från glas i ett vakuum  // Reports of the Academy of Sciences of the USSR. - M. , 1953. - T. 88 , nr 5 . - S. 777-780 . (ryska)
7. ↑ Karasev V.V., Krotova N.A., Deryagin B.V. Undersökning av en gasurladdning när en högpolymerfilm lösgörs från ett fast foder  // Rapporter från USSR:s vetenskapsakademi. - M. , 1953. - T. 89 , nr 1 . - S. 109-112 . (ryska)
8. ↑ Kenneth Chang. Scotch Tape släpper lös  röntgenkraft . The New York Times (23 oktober 2008). Hämtad 6 juli 2020. Arkiverad från originalet 30 september 2017.
9. ↑ Manolov K., Tyutyunnik V. Atomens biografi. Atom - från Cambridge till Hiroshima. - Reviderad övers. från bulgariska .. - M . : Mir , 1984. - S. 17-18. — 246 sid.
10. ↑ W.C. Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
11. ↑ " Natur och människor ". - Nr 28, 1896.
12. ↑ Kaspiska havet. - Tidning. - Baku, 1896.
13. ↑ 1 2 3 Inhemsk radiologi (otillgänglig länk) . Röntgendiagnostik . Datum för åtkomst: 16 februari 2019. Arkiverad från originalet den 17 april 2012. (obestämd) 
14. ↑ I vissa källor kallas det av misstag för Eugene.
15. ↑ I kommissionen om fysikaliska och matematiska vetenskapers historia  // Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR. - 1949. - T. 19 , nr. 4 . - S. 83-84 .
16. ↑ 1 2 Gaida R., Plyatsko R. Ivan Pulyuy. 1845-1918: Zhittєpisno-bіblіografichny naris / Vetenskapligt partnerskap uppkallat efter Shevchenko nära Lvov / Oleg Kupchinsky (publicerad red.). — Lviv. - 1998. - 284 sid. - (Chiefs of the NPSh; 7). — På obkl. författaren är inte tilldelad. — ISBN 5-7707-8500-4 .
17. ↑ Fialkov L. Ivan Pulyuy bad aldrig om ett brev från Roentgen  (ukrainska)  // Bulletin of NASU. - 1996. - VIP. 9-10 . - S. 93-95 .

Länkar

• Röntgenrörsida
• Grunderna i röntgendiagnostik (tyska)
• Stadier av utveckling av inhemsk screeningutrustning  - det mesta av artikeln talar om röntgen-tv-introskop (röntgenutrustning för genomlysning av bagage, används främst på flygplatser ).

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska stor kines stor kines stor kines Stor norsk Stor ryss Brockhaus och Efron runt världen runt världen Litet Brockhaus och Efron Britannica (online) Universalis Universalis
I bibliografiska kataloger BNF : 119510960 GND : 4129728-3 J9U : 987007529626905171 LCCN : sh85148749 NDL : 00561905 NKC : ph125192