Рентгеново лъчение
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Тази статия се нуждае от подобрение.
Рентгеновото лъчение (често наричано и Рентгенови лъчи) е вид електромагнитно излъчване с дължина на вълната в обхвата от 10 до 0,1 нанометра, което отговаря на честота от 30 до 3000 PHz. Използва се в медицината - за диагностика и в кристалографията. Рентгеновите лъчи са вид йонизиращо излъчване и като такива са опасни за живите същества.
В електромагнитният спектър Рентгеновите лъчи се намират между ултравиолетовото излъчване и гама-лъчите.
Съдържание |
[редактиране] Физика
Електромагнитни вълни с дължина на вълната над 0,1 nm се наричат меки рентгенови лъчеи. При дължина на вълна под от 0,1 nm се наричат твърди рентгенови лъчи. Те се припокриват с "дълговълновите" гама-лъчи. Различието твърдите рентгенови лъчи и дълговълновите гама лъчи зависи от източника на излъчването, не от неговата дължина на вълната: Рентгеновите лъчи се получават от процеси с участието на високоенергийни електрони, а гама-лъчите с промяна в атомното ядро.
Рентгеновите лъчи се получават при удара на електронен сноп с атомите на веществото-мишена. Около 99% от кинетичната енергия на снопа се преобразуват в топлинна и мишената се загрява. Когато срешнат на пътя си атомни ядра част от електронните рязко се забавят и излъчват: кинетичната им енергия частично или изцяло се преобразува в енергия на електромагнитно лъчение от ренгеновата област. Това излъчване се нарича спирачно и има непрекъснат спектър, който не зависи от вида на атомите на мишената, а се определя единтсвено от кинетината енергия на електроните. Спектърат на спирачно ренгеново излъчване е с рязка късовълнова граница. При увеличаване на приложеното към ренгеновата тръба ускоряващо напрежение, граничната дължина на вълната намалява. Тоест: за за получим рентгенови лъчи с по-голяма енергия, т.е., с по-малка дължина на вълната, трябва да имаме електронен сноп с по-голяма кинетична енергия на електроните.
[редактиране] Дифракция
През 1912 година германският физик Макс фон Лауе теоретично обосновава възможността кристалите, които са изградени от симетрично разположени редици от атоми, да се използват като дифракционни решетки за рентгеновите лъчи. Успореден сноп от рентгенови лъчи с различна дължина на вълната, която е от порядъка на разстоянието между атомите, пада върху кристал. След като преминат през кристала, рентгеновите лъчи се разделят на отделни снопове, които попадат върху фотографски филм и създават дифракционна картина, съставена от симетрично разположени петна. Тези петна са резултат от интерференцията на вторичните вълни, излъчени от много голям брой симетрично разположени атоми, действащи като дифракционна решетка. Като се анализира разположението на петната и техният интензитет, получава се информация за структурата на кристала: за начина на подреждане на атомите и се определя разстоянието между тях. Този метод за изследване на вътрешната структура на веществата се нарича рентгено-структурен анализ. Чрез анализ на дифракционните картини, получени с рентгенови лъчи, се определя също така структурата на метални сплави, органични съединения и биологични обекти с периодична структура (например молекулите на ДНК, на хемоглобина и др.).
[редактиране] Детектори
Разпознаването на рентгеново излъчване е основано на различни методи.
[редактиране] Гайгеров брояч
Най-разпространеният метод за разпознаване на радиоактивно излъчване се основава на йонизацията на газове. Гайгеровият брояч представлява тръба с 2 електрода / катод и анод/, пълна с газ под налягане значително по-ниско от атмосферното. При преминаване на частица или лъч през нея, за момент протича електрически ток. Чрез някакъв електронен усилвател сигналът се усилва и се показва като величина или като звук - едно цъкване (щракване) за всяка частица.
[редактиране] История
Рентгеновото лъчение е открито на 8 ноември 1895 г. от професора във Вюрцбургския университет в Германия Вилхелм Конрад Рентген (Рьонтген), 1845-1923 при провежданите от него опити с електрически разряди в газове. Той използвал стъклена тръба с два електрода, изпомпана до налягане 100 000 пъти по-ниско от атмосферното. Тя била обвита в черна хартия, непропускаща видимата светлина, предизвиквана от катодните лъчи и излъчвана от областта около анода.
Рентген забелязал, че намиращите се на известно разстояние от тръбата бариеви кристали светят в тъмнината. Изключил напрежението на тръбата и кристалите угаснали. Той поставил недалеч от нея екран, покрит с бариеви соли, който светвал всеки път, когато включвал напрежението и угасвал след изключването му.
Ученият започнал да поставя предмети от различни материали между тръбата и екрана. Картонът, хартията, ебонитът не влияели на яркостта на светене, докато металните предмети хвърляли сянка върху екрана. Поставил дланта си на пътя на тези „Х-лъчи“, както ги наричал той. На екрана се появило изображение на костите от скелета му, те почти не пропускали неизвестните проникващи лъчи. Меките тъкани обаче били прозрачни за тях, Рентгеновите (по-правилно Рьонтгеновите) лъчи, както ги наричаме сега ние.
Статията му „За новия род лъчи“, в която описвал свойствата им, обиколила буквално целия свят, а по-късно била издадена като отделна брошура на всички европейски езици. Получил е първата Нобелова награда за физика - през 1901 г. — „в знак на признание за необикновено важни заслуги пред науката, изразени в откриването на лъчи, наречени впоследствие в негова чест“.
Но Рентген така и не съумял да обясни природата на загадъчните лъчи. Той дори не подозирал за съществуването на електроните, а всъщност точно намаляването на тяхната скорост в стъклото на тръбата е причината за появяване на излъчването на „Х-лъчите“ и на зеленикавата видима светлина.
Когато заредена частица навлезе във вещество, тя губи от своята скорост и излъчва електромагнитни вълни. Сноп намаляващи скоростта си електрони излъчва вълни с най-различни дължини и затова поражда непрекъснат рентгенов спектър в рамките на съответната част от електромагнитната скала, както и отделни линии на характеристично лъчение, обусловено от йонизацията на веществото на анода и използвано за изследването му.
[редактиране] Никола Тесла
През април 1887 г. Никола Тесла започва да изследва рентгеновите лъчи /Х-лъчи/, използвайки високоволтова вакуумна тръба по собствен дизайн. От неговите публикации става ясно, че е изобретил специална едноелектродна Х-лъчева тръба, която се различава от другите по това, че няма електрод за мишена. Той ги обявява през 1897 г. в лекцията си за рентгеновите лъчи пред Ню-Йоркската Академия на Науките. Принципът на устройството, създадено от Тесла, в днешно време е наречен "спирачно лъчев(Bremsstrahlung) процес", при който се образува високоенергийно вторично рентгеново излъчване когато заредени частици /като електроните/ преминават през материя. До 1892 г. Тесла прави няколко такива експеримента, но не категоризира излъчването като рентгеново, както е наречено по-късно. Вместо това феноменът е наречен "лъчиста енергия". Тесла не обявява официално откритията си, нито ги прави всеобщо известни. Резултатите от неговия следващ експеримент, в който изолира силни полеви емисии, му позволили да осведоми научното общество за биологичния риск, свързан с рентгеновите лъчи.
[редактиране] Хайнрих Херц
През 1892 г. Хайнрих Херц започва да експериментрира и да демонстрира как катодните лъчи могат да проникнат през много тънък метален станиол /като алуминия/. Филип Ленард, студент на Херц, провежда по нататъшни изледвания. Той създава версия на катодната тръба и изучава проникването на рентгенови лъчи в различни метали. Филип Ленард не разбира, че създава Х-лъчи.
[редактиране] Херман фон Хелмхолц
Херман фон Хелмхолц формулира математическото уравнение на Х-лъчите. Той предлага теорията за разпръскването преди Рьонтген да направи откритието си и да го обяви. То било оформено около електромагнитната теория за светлината /Хидман Анален, XLVIIIв./. Въпреки това, той не е работил със същински рентгенови лъчи.
[редактиране] Вилхелм Рьонтген
На 8 ноември 1895 г. Вилхелм Рьонтген, немски физик, започва наблюдението си и по-нататъшното документиране на рентгенови лъчи, докато експериментирал с вакуумни тръби. На 28 декември 1895 г. Рьонтген написва предварителен доклад “Нов вид лъч: предварително съобщаване”. Той го предава на Вюрцбургския Физично-Медицински Обществен Вестник. Това е първото формално и обществено ползване на термина “X-лъчи”. Рьонтген нарича излъчването “Х”, за да отебележи, че то е от непознат вид. Въпреки настояването на Рьонтген за запазване на наименованието, колегите му все използвали термина “рентгенови лъчи”, като и до днес не е дадено конкретно наименование. Вилхелм Рьонтген получава първата Нобелова награда за заслуги в сферата на Физиката през 1901 г. в чест на откритието си. Рьонтген работел върху катодно лъчев генератор. Изведнъж той забелязал слаба зелена светлина на стената. Странното било, че светлината преминавала през различни препятствия /хартия, дърво, книги/. След това той започнал да слага различни предмети шред генератора и докато правел това забелязал, че вижда очертанията на костите си на стената. Рьонтген казва, че не знаел какво да мисли и продължил да експериментира. Два месеца след първоначалното си откритие, той публикува труда си “Новия вид радиация” и прави демонстрация през 1896г.
[редактиране] Томас Едисон
През 1895 г. Томас Едисон изследвал материали, имащи способостта да флуоресцират под действието на рентгенови лъчи и открива, че калциевият волфрамит (шеелит) е най-ефективното вещество. Около март 1896 г. флуороскопът, който той създал, се превърнал в образцов пример за приложимостта на рентгеновите лъчи в медицината. Въпреки това, Едисон спира изследванията си за Х-лъчите около 1903 г. след смъртта на своя колега Кларанс Мадисон Дайли. Дайли имал навика да тества рентгеновите тръби върху ръцете си и в следствие развил рак в тях. Впоследствие, за да спасят живота му, ръцете му били ампутирани.
[редактиране] Развитие на науката през 20-ти век
През 1906 г. физикът Чарлз Барклей (Charles Barkla) открива, че рентгеновите лъчи се разсейват от газовете, при лоето всеки елемент има характерно рентгеново излъчване. За това свое откритие през 1917 г. получава Нобелова награда за Физика.
През 1912 г. Макс фон Лауе, Паул Книпинг и Уолтър Фрийдрих (Max von Laue, Paul Knipping and Walter Friedrich) наблюдават за първи път дифракцията на рентгенови лъчи от кристали. Откритието заедно с предните разработки на Пол Питър Ивалд, (Paul Peter Ewald) Уилям Хенри Браг (William Henry Bragg) и Уилям Лоурънс Браг (William Lawrence Bragg) дава начало на ренгтеновата кристалография.
[редактиране] Употреба
Рентгеновите лъчи се употребяват в много сфери на науката. За човека едно от най-важните им приложения е в медицината. Поглъщането на рентгеновите лъчи от веществото се различава от поглъщането на светлината. Например прозрачното за светлината оловно стъкло почти изцяло поглъща рентгеновите лъчи и се използва за защита на работещите с рентгенова апаратура. Обратно, рентгеновите лъчи преминават с минимално поглъща-не през алуминиево фолио, което е непрозрачно за светлината. Различните органи и тъкани на човешкото тяло поглъщат рентгеновите лъчи в различна степен. Например костите и други образувания, съдържащи калций, ги поглъщат по-силно от меките тъкани, на което се основава използването на рентгеновите лъчи в медицината за наблюдаване на вътрешни органи на човека - кости, бели дробове и др. Изследваната част от тялото се „осветява" с рентгенови лъчи, които частично се поглъщат от нея, а преминалите лъчи попадат върху екрана на флуороскоп или върху касета с фотографски филм. На екрана образът на обектите, които по-силно поглъщат рентгеновите лъчи (например костите), е тъмен, а на по-слабо поглъщащите - светъл. В съвременните компютърни рентгенови томографи тесен рентгенов сноп пробягва (сканира) послойно дадена част от човешкото тяло и образите на отделните слоеве се получават след компютърна обработка на интензитета на преминалото през тях лъчение.
[редактиране] Биологично действие
Подобно на радиоактивните лъчения, рентгеновите лъчи имат йонизираща способност. Те йонизират атомите и молекулите, влизащи в състава на живите клетки, на което се основава биологичното им действие. Погълнатото лъчение води до физични промени в клетките, като разрушаване на молекулите, спиране действието на ензимите, разкъсване на хромозомите и други увреждания. Клетките, които растат най-бързо, са най-възприемчиви към лъчението. Затова рентгеновите лъчи се използват в медицината за поразяване на туморни образования, чиито клетки се размножават много по-бързо от нормалните клетки и са по-чувствителни към йонизиращите лъчения.
