Физическая природа излучений

Рентгеновское излучение по своей физической природе представляет собой электромагнитное излучение. В медицинских диагностических системах рентгеновское излучение формируется в результате столкновения внешнего электрона с вольфрамовым анодом в рентгеновской трубке, в результате чего атом приходит в состояние возбуждения. В стабильном состоянии энергетические уровни или орбитали атомов вольфрама (К, L, М и т.д.) насыщены электронами вплоть до оболочки N; даже оболочки О и Р частично заполнены электронами (РИС.4).

Возбудившись, электрон перемещается с оболочки с низким энер­гетическим уровнем (например, оболочка К) на оболочку с более высоким энергетическим уровнем. Возбужденное состояние прекра­щается при эмиссии рентгеновского излучения в тот момент, когда электрон с оболочки L или, что менее вероятно, М падает на оболо­чку К. Разница в энергии между этими оболочками (59 кэВ для К-альфа или 67 кэВ для К- бета) высвобождается в виде монохромати­ческого кванта. Данное заполнение электронной ниши в оболочке сопровождается сериями подобных событий на более высоких орби­тах с уменьшающимися раз за разом преобразованиями энергии до тех пор, пока система не вернется в стабильное состояние. Все это происходит очень быстро, за периоды времени значительно короче одной миллиардной части секунды.

В соответствии с теорией корпускулярно-волнового дуализма, любое электромагнитное излучение имеет двойственную природу - фотон может вести себя как частица или как волна, то есть обладает волновыми и квантовыми свойствами. Поэтому любое излучение делится на два основных компонента:

1 ) излучение частиц, при котором только электрон (и позитрон, по­ложительный электрон) важны для методов визуализации;

2) электромагнитное излучение; его простейший элемент, квант, или фотон, перемещается со скоростью света и не имеет массы.

Таким образом, свойства излучения можно характеризовать тремя понятиями: энергия (измеряется в электрон-вольтах: эВ, кэВ и т.п.), частота (Гц, МГц и т.п.) и длина волны (см и т.п.). Частота прямо, а длина волны обратно пропорциональны энергии. Электромагнитное излучение изменяется от крайне низких энергий (низкая часто­та или большая длина волны) до высоких энергий.

Существуют как чисто волновые свойства излучений (поляризация, дисперсия, дифракция), так и квантовые (фотоэффект и эффект Комптона). Кроме того, для излучений характерны такие свойства, как отражение, преломление, давление, природу которых можно объяснить как с квантовых, так и с волновых позиций.

Электромагнитные волны представляют собой особую форму материи – распространяющееся переменное электромагнитное поле, которое характеризуется напряженностью и индукцией. В целом, волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Важнейшей характеристикой волны является её скорость. В вакууме скорость распространения электромагнитной волны 300 000 км/c (скорость света). Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

Шкала электромагнитных излучений охватывает огромный диапазон длин волн и частот (РИС.5). Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, обладают одной физической природой. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства.

Длина электромагнитных волн может быть самой различной: от значений порядка 103 м (радиоволны) до 10-8 см (рентгеновские лучи). Излучения различной длины волны отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов и др.) и методам регистрации:

- рентгеновское излучение, ультрафиолетовый и видимый свет воз­никают из-за изменений в электронных оболочках;

- инфракрасное излучение является следствием тепла, высвобожда­емого движением атомов и молекул;

- радиоволны возникают из-за движения электронов в проводнике и, помимо этого, из-за изменений в ядерной орбите, изменений спина и т.п.;

- гамма-излучение вызывается последствиями изменений возбуж­денного состояния ядра.

По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по способности к поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно гамма-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волн. Основное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями заключается в том, что коротковолновое излучение более обнаруживает свойства частиц (квантовые свойства).

Дата добавления: 2014-01-05