Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною

ХАРАКТЕРИСТИЧНЕ РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. АТОМНІ РЕНТГЕНІВСЬКІ СПЕКТРИ

Збільшуючи напругу на рентгенівській трубці, можна відмітити на тлі суцільного спектру появу лінійчатого, який відповідає характеристичному рентгенівському випромінюванню (рис. 18.6). Він виникає унаслідок того, що прискорені електрони проникають в глиб атома і з внутрішніх шарів вибивають електрони. На вільні місця переходять електрони з верхніх рівнів (мал. 18.7), в результаті висвічуються фотони характеристичного випромінювання. Як видно з малюнка, характеристичне рентгенівське випромінювання складається з серіїв K, L, М і так далі, найменування яких і послужило для позначення електронних шарів. Оскільки при випромінюванні K-серии звільняються місця у вищих шарах, то одночасно випускаються і лінії інших серіїв.

Рис. 1.8

Рис..1.6

Рис. 1.7

В отличие от оптических спектров характеристические рентге­новские спектры разных атомов однотипны. На рис. 18.8 показаны спектры различных элементов.

Мал. 18.6

Мал. 18.7

Мал. 18.8

Однотипність цих спектрів обумовлена тим, що внутрішні шари у різних атомів однакові і відрізняються лише енергетично, оскільки силова дія з боку ядра збільшується у міру зростання порядкового номера елементу. Ця обставина приводить до того, що характеристичні спектри зрушуються у бік великих частот із збільшенням заряду ядра. Така закономірність видно з рис. 1.8 і відома як закон Мозлі:

(18.1.6)

де — частота спектральної лінії; Z — атомний номер випускаючого елементу; А і В — постійні.

Є ще одна різниця між оптичними і рентгенівськими спектрами. Характеристичний рентгенівський спектр атома не залежить від хімічної сполуки, в яку цей атом входить. Так, наприклад, рентгенівський спектр атома кисню однаковий для О, О2 і. тоді як оптичні спектри цих з'єднань істотно різні. Ця особливість рентгенівського спектру атома послужила підставою і для назви характеристичне.

Характеристичне випромінювання виникає завжди за наявності вільного місця у внутрішніх шарах атома незалежно від причини, яка його викликала. Так, наприклад, характеристичне випромінювання супроводжує один з видів радіоактивного розпаду (див. § 2.1), який полягає в захопленні ядром електрона з внутрішнього шару.

Реєстрація і використання рентгенівського випромінювання, а також дія його на біологічні об'єкти визначаються первинними процесами взаємодії рентгенівського фотона з електронами атомів і молекул речовини.

Залежно від співвідношення енергії фотона і енергії ионизации1 Аї мають місце три головні процеси.

· Когерентне (класичне) розсіяння. Розсіяння довгохвильового рентгенівського випромінювання відбувається в основному без зміни довжини хвилі, і його називають когерентним. Воно виникає, якщо енергія фотона менше енергії іонізації:.

Оскільки в цьому випадку енергія фотона рентгенівського випромінювання і атома не змінюється, то когерентне розсіяння само по собі не викликає біологічної дії. Проте при створенні захисту від рентгенівського випромінювання слід враховувати можливість зміни напряму первинного пучка. Цей вид взаємодії має значення для рентгеноструктурного аналізу

· Некогерентне розсіяння (ефект Комптона). У 1922 р. А.Х.Комптон, спостерігаючи розсіяння жорстких рентгенівських променів, виявив зменшення проникаючої здатності розсіяного пучка в порівнянні з падаючим. Це означало, що довжина хвилі розсіяного рентгенівського випромінювання більша, ніж падаючого. Розсіяння рентгенівського випромінювання із зміною довжини хвилі називають некогерентним, а само явище — ефектом Комптона.

Він виникає, якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання більше енергії іонізації:.

Це явище обумовлене тим, що при взаємодії з атомом енергія фотона витрачається на утворення нового розсіяного фотона рентгенівського випромінювання з енергією, на відрив електрона від атома (енергія іонізації) і повідомлення електрона кінетичної енергії:

(18.1.8)

Существенно, что в этом явлении (рис. 1.9) наряду с вторич­ным рентгеновским излучением (энергия кістки і м'якої тканини або води. Атомні номери Ca, Р, O і Н відповідно рівні 20, 15, 8 і 1. Підставивши ці числа в (31.12), отримаємо

Істотна відмінність поглинання рентгенівського випромінювання різними тканинами дозволяє в тіньовій проекції бачити зображення внутрішніх органів тіла людини.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгено­скопия — изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рент­генография — изображение фиксируется на фотопленке.

Якщо досліджуваний орган і навколишні тканини приблизно однаково ослабляють рентгенівське випромінювання, то застосовують спеціальні контрастні речовини. Так, наприклад, наповнивши шлунок і кишечник кашоподібною масою сульфату барії, можна бачити їх тіньове зображення.

Яскравість зображення на екрані і час
експозиції на фотоплівці залежать від інтенсивності рентгенівського випромінювання. Якщо рис. 18.11 його використовують для діагностики, то інтенсивність не може бути зроблена великою, щоб не викликати небажаних біологічних наслідків. Тому є ряд технічних пристосувань,
поліпшуючих зображення при малих інтенсивностях рентгенівського випромінювання. флюорографія, при якій на чутливій малоформатній плівці фіксується зображення з великого рентгенолюминесцирующего екрану. При зйомці використовують лінзу великої світлосили, готові знімки розглядають на спеціальному збільшувачі.

Цікавим і перспективним варіантом рентгенографії є метод, званий рентгенівською томографією, і його «машинний вариант»— комп'ютерна томографія.

Розглянемо це питання.

Звичайна рентгенограма охоплює велику ділянку тіла, причому різні органи і тканини затінюють один одного. Можна уникнути цього, якщо періодично спільно (рис. 1.11) в протифазі переміщати рентгенівську трубку РТ і фотоплівку Фп щодо об'єкту Об дослідження. У тілі є ряд непрозорих для рентгенівських променів включень, вони показані кружечками на малюнку. Як видно, рентгенівські промені при будь-якому положенні рентгенівської трубки (1, 2 і так далі) проходять через одну і ту ж точку об'єкту, що є центром, щодо якого здійснюється періодичний рух РТ і Фп. Ця крапка, точніше невелике непрозоре включення, показана темним кружком. Його тіньове зображення переміщається разом з Фп, займаючи послідовно положення 1, 2 і так далі Решта включень в тілі (кістки, ущільнення і ін.) створює на Фп деякий загальний «фон», оскільки рентгенівські промені не постійно затінюються ними. Змінюючи положення «центру гойдання», можна отримати пошарове рентгенівське зображення тіла. Звідси і назва — томографія (пошаровий запис).

Можна, використовуючи тонкий пучок рентгенівського випромінювання,
екран (замість Фп), що складається з напівпровідникових детекторів
іонізуючого випромінювання і ЕОМ, обробити тіньове рентгенівське зображення при томографії. Такий сучасний варіант томографії (обчислювальна або комп'ютерна рентгенівська томографія) дозволяє отримувати пошарові зображення тіла на екрані електронно-променевої трубки або на папері з деталями менше 2 мм при відмінності поглинання рентгенівського випромінювання -до 0,1%. Це дозволяє, наприклад, розрізняти сіру і білу речовину мозку і бачити дуже маленькі пухлинні утворення.

Перша Нобелівська премія була присуджена К.Рентгену (1901), в 1979 р. Нобелівська премія була присуджена Г. Хаунсфілду і Мак-кормаку за розробку комп'ютерного рентгенівського томографа.

З лікувальною метою рентгенівське випромінювання застосовують головним чином для знищення злоякісних утворень (рентгенотерапія).

Дата добавления: 2014-01-04