Rentgen nurlarining fizikaviy xususiyatlari
Download 308.81 Kb.
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Rentgen nurlarini hosil bo’lishi va uning xususiyatlari
|
Rentgen nurlarining fizikaviy xususiyatlari 1 bob RENTGEN NURLATINING XUSUSIYATLARI VA MODDALAR BILAR TA’SIRI Rentgen nurlarini hosil bo’lishi va uning xususiyatlari Rentgen nurlarining harakteristiklari. Rentgen nurlanishining moddadan o'tganda zaiflashishini aniqlaydigan qonuniyatlar 1. Rentgen nurlarini hosil bo’lishi va uning xususiyatlari Возникновение рентгеновых лучей. Видимое световое излучение, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи возникают при перемещениях электронов, происходящих во внешних слоях атома. Когда же под действием какой-либо энергии, проникающей извне внутрь атома, с места срывается и выбрасывается за пределы атома электрон с внутренней его орбиты, и если при этом его место будет замещено электроном, упавшим с наружного уровня, то при этом падении разность энергии этих двух уровней даст, согласно третьему постулату бора, излучение частоты v, которая будет во много раз больше, а длина волны соответственно меньше, чем при перемещениях во внешних слоях. В этом случае возникают рентгеновы лучи. В природе в земных условиях рентгеновы лучи возникают при распаде урана, тория и актиния, когда освобожденные быстрые электроны сталкиваются на своем пути веществом; результате c в такого взаимодействия возникают самые коротковолновые рентгеновы лучи. Искусственно же рентгеновы лучи создаются, когда поток электронов, движущихся с огромными скоростями, падая сосредоточенным пучком на анод рентгеновской трубки, испытывает в его веществе торможение от столкновений с атомами. Это изменение скорости движения электронов, эквивалентное изменению Максвелла, величины тока, вызывает, согласно теории возникновение электромагнитного импульса, распространяющегося в виде электромагнитной волны очень короткой длины. Скорость движения электронов рентгеновской трубке про в порциональ на квадратному корню из приложенного к ней анодного напряжения и определяется по формуле 2. Природа рентгеновых лучей. Касаясь природы открытых им лучей, рентген устанавливает лишь некоторое сходство их со световыми лучами (теневое изображение, флуоресценция и фотохимическое действие). Однако, не получив ни дифракции, ни интерференции их, он высказал предположение, что новые лучи представляют собой не поперечные волны, а продольные, подобно звуковым волнам. Это предположение Рентгена оказалось неправильным. В 1912 г. германский физик Л а у э доказал непосредственно в опыте, что рентгеновы лучи отличаются от лучей видимого света лишь длиной своей волны. Лауэ рассуждал, что если рентгеновы лучи представляют собой свет, отличающийся от видимого света только длиной волны, то, проходя через узкое отверстие, они должны диффрагировать и при соответствующих условиях интерферировать между собой. Дифракция же наблюдается лишь в том случае, когда обусловливающее ее отверстие имеет примерно такие же размеры, как и длина волны проходящего сквозь него излучения. В обычных дифракционных решетках с 2000 штрихами на 1 мм расстояние между двумя соседними штрихами равно средней длине волны видимого светового излучения. Так как рентгеновы лучи такой решеткой не отклонялись, то нужно было заключить, что длина волны рентгеновых лучей должна быть BO много раз короче длины волны самых коротковолновых лучей видимого света и, следовательно, для обнаружения у них дифракции необходимо было найти более тонкую решетку с меньшими промежуточными расстояниями в ней. В качестве таковой Лауэ предложил воспользоваться расстояния между атомами кристаллической решеткой, у которой cоставляют доли миллионной части миллиметра. Направив рентгеновы лучи через тонкую кристаллическую пленку, он вместе со своими сотрудниками Книппингом и Фридрихом получил их дифракцию и интерференцию, чем и была доказана их тождественность со световыми лучами, от которых они отличаются лишь длиной своей волны. Длины волн рентгеновых лучей, применяемых в медицинской практике, находятся в пределах приблизительно от до0,6х заходя в область гамма-лучей, если иметь в виду излучение, генерируемое при напряжении 2 млн. в. В переводе же на язык квантовой теории света кванты рентгеновского излучения несут с собой энергию, по величине своей превосходящую энергию квантов видимых лучей в сотни и тысячи раз. В спектре электромагнитных излучений рентгеновы лучи занщмаютоколо 15 октав, включая лучи, граничащие с областью гамма- лучей; лучиже видимого спектра света - менее одной октавы. Изучение рентгеновского излучения показало, что оно состоит из двух частей: лучей торможения и характеристических лучей. 3. Свойства рентгеновых лучей.Рентгеновым лучам присущи следующие свойства: проникающая способность; поглощение и рассеяние; преломление и отражение; поляризация; способность возбуждать свечение некоторых веществ, именуемых люминофорами; фотохимическое действие, проявляющееся особом действии на светочувствительный слой. B фотографической пленки, в результате которого после ее проявления происходит ее почернение; биологическое действие, проявляющееся в ряде изменений живого вещества вплоть до его разрушения; ионизационное действие, выражающееся в том, что при прохождении через газы они расщепляют его нейтральные молекулы на положительные и отрицательные ионы. Скорость распространения рентгеновых лучей равняется скорости распространения света. Исходя из установленного им факта, что при помещении между трубкой и экраном более или менее проницаемого предмета получается вполне правильная тень, Рентген заключил о прямолинейном распространении открытых им лучей. Указывая, что трубка может испускать лучи различной проницаемости, он впервые ввел наименования жесткая и мягкая трубка. Жесткой трубкой он называл трубку, испускающую лучи большой проницаемости; мягкой трубку, испускающую лучи малой 1 Длина в физике обычно выражается в сантиметрах: проницаемости. Тут же он определяет значение жесткости трубки для качества получаемого изображения. На снимке кисти, произведенном с мягкой трубкой, получается темная картина, на которой слабо выделяются кости; при более жесткой трубке кости хорошо определяются на фоне едва заметных тканей; при еще более жесткой трубке мягкие ткани пробиваются совсем. «Из этого следует, - заключает Рентген, что выбор трубки зависит от свойств рассматриваемого предмета». 4. Лучи торможения и возникновение. Лучи торможения их вызываются торможением потока электронов на аноде трубки. Их возникновение можно представить следующим образом. Непосредственно перед торможением все электроны обладают одинаковым запасом энергии движения, который они приобретают, двигаясь в ускоряющем поле между катодом и анодом трубки. Величина этой энергии выражается соотношениемю Где, - энергия движения электрона; e-заряд электрона; U - приложенное к трубке напряжение. При ударе зеркало анода кинетическая энергия электронов затрачивается частично на ионизацию и возбуждение атомов вещества анода (см. ниже). Эта часть энергии в дальнейшем переходит в тепловую, разогревая анод и его зеркало. Торможение же электронов сопровождается, как это указывалось выше, возникновением рентгеновского излучения. Если кинетическую энергию летящего электрона мы обозначим через , энергию, затраченную электроном на возбуждение и ионизацию, через w (греческая буква <<омега»), то энергия кванта тормозного излучения будет равна: Величина и меняется в широких пределах в связи с постепенным проникновением потока электронов в глубь вещества анода; в соответствии с этим меняется также величина , т. е. доля энергии, превращающаяся в рентгеновское излучение. Если на ионизацию и возбуждение будет затрачена вся кинетическая энергия электрона, то будет равно нулю, т. е. рентгеновское излучение не возникнет. И наоборот, если вся кинетическая энергия будет затрачена только на образование излучения, то w будет равна нулю и энергия кванта излучения будет равна: Энергия пучка излучения Следовательно, образующиеся при торможении кванты рентгеновского излучения обладают всевозможными значениями энергии от нулевого до максимального значения, равного ; поэтому спектр тормозного излучения является непрерывным. В нем представлен целый ряд волн различной длины от наиболее короткой до наиболее длинной. Минимальная длина волны B каждом спектре пучка рентгеновых лучей создается за счет максимальной энергии движения электрона. По аналогии с видимым белым светом не характеристическое, или общее излучение (лучи торможения) называют также белым. Рис. 131. Кривая спектрального распределения энергии в пучке тормозного излучения при постоянном напряжении на трубке. До-минимальная длина волны- длина волны, при которой кривая достигает своего максимума. 5. Распределение энергии в спектре сплошного тормозного рентгеновского излучения. Если при постоянном, не меняющемся по форме напряжении на трубке и при неизменной величине тока определить энергию каждого из лучей, входящих в состав пучка лучей торможения, и нанести ее на кривую, то получится кривая распределения энергии сплошного тормозного рентгеновского излучения. Она имеет следующие характерные особенности (рис. 131). Начинаясь на стороне минимальной, граничной длины волны (ℽ) у места пересечения кривой с абсциссой, она круто поднимается вверх, достигая у длины волны своего максимума; далее в сторону длинных волн кривая спадает полого, приближаясь к нулю по мере увеличения длины волны. Так как скорость потока электронов в трубке определяется приложенным к ней напряжением, то каждому напряжению будет соответствовать и свой спектр рентгеновых лучей. Очевидно, что в непрерывном спектре рентгеновых лучей отсутствуют вовсе лучи с длиной волны, меньшей граничного значения Х., ибо катодные лучи, являющиеся источником возникновения рентгеновых лучей, могут образовать только такие кванты, энергия которых не превосходит значение энергии электронов, возбуждающих эти кванты. Наибольшая же энергия электрона равна: за счет этой энергии и создается один максимальный квант рентгеновской энергии Подставив в равенство (7-6) вместо получаем: Подставляя в этом равенстве численные значения h = 6,62X X , c = 3 и е = 1,60 , имеем: где U выражено в киловольтах, а , в ангстремах. Если, например, напряжение на трубке, питающейся не пульсирующим постоянным напряжением, равняется 50 кв макс., то граничная волна генерируемых ею лучей получается равной: = Формула (7-8) позволяет по заданной длине граничной волны определить напряжение, которое следует приложить к трубке. Например, если требуется получить пучок рентгеновых лучей с минимальной длиной волны 0,247 А, то напряжение на трубке U должно равняться: Приведенная выше формула (7-8) была подтверждена эмпирически при многочисленных измерениях. При этом для было установлено следующее приближенное отношение: Бомбардировка анода электронами, помимо возбуждения рентгеновых лучей и нагревания зеркала анода, сопровождается еще выбиванием из него вторичных электронов, разлетающихся во всех направлениях с различными скоростями. Энергия рентгеновского излучения составляет менее 1 % энергии движения электронов; вторичные электроны уносят с собой 20-30% общей энергии первичных электронов; наибольшая же часть ее затрачивается на нагрев зеркала анода. Исследование распределения энергии непрерывном спектре B рентгеновых лучей показало следующие зависимости: 1) При различных величинах тока, протекающего через трубку с увеличением или уменьшением ее происходит также увеличение или уменьшение интенсивности каждой длины волны спектра и притом во столько раз, во сколько возросла или уменьшилась величина тока, протекающего через трубку. Распределение же энергии в спектре остается неизменным; максимум непрерывного спектра и его граница сохраняют свое положение. Рис. 132. Распределение энергии по непрерывному спектру рентгеновых лучей: а — при различной величине тока через трубку; б — при различных напряжениях на трубке. По оси абсцисс отложена длина волны, по оси ординат - величина, именуемая плотностью интенсивности в спектре, т. е. отношение интенсивности излучения в участке спектра, ограниченном очень малым интервалом волн, к этому интервалу. Общая интенсивность излучения пучка определяется площадью рисунка, включенной в пределах соответственной кривой. ходит общее увеличение энергии рентгеновых лучей пропорционально увеличению величины тока: где W- полная энергия, излучаемая трубкой; i - величина тока; а - константа, не зависящая от величины тока (рис. 132, а). 2) B противоположность ВЛИЯНИЮ величины тока, изменение напряжения, приложенного к электродам трубки, сказывается не только в увеличении или уменьшении интенсивности каждого из лучей, но еще и на самом распределении энергии в спектре. Меняется не только общая энергия рентгеновых лучей, испускаемых трубкой, но также соотношение интенсивностей отдельных лучей. Из рис. 132, б видно, что при повышении напряжения на трубке происходит сдвиг минимальной длины волны Х., а также и максимума интенсивности Х, в сторону более коротких длин волн, т. е. как бы сдвиг всего спектра в целом; в спектре излучения преобладает коротковолновая часть, т. е. жесткое излучение; и наоборот, с уменьшением напряжения начинает преобладать длинноволновая часть, т. е. мягкое излучение. Наряду со смещением максимума интенсивности происходит и резкое его изменение по величине. Площадь, ограниченная на рисунке каждой кривой и осью абсцисс, представляет собой общую интенсивность излучения. Из рис. 132 видно, что с увеличением приложенного к трубке напряжения общая интенсивность излучения также увеличивается; она изменяется пропорционально квадрату напряжения: где b - константа, не зависящая от напряжения. Так, например, при 100 кв общая интенсивность излучения в четыре раза больше, чем при 50 кв. Это увеличение интенсивности происходит за счет увеличения энергии движения каждого электрона в пучке катодных лучей внутри трубки. Увеличение же общей интенсивности излучения при увеличении анодного тока через трубку и неизменном напряжении происходит за счет увеличения числа электронов, тормозящихся на аноде неизменной величине кинетической энергии каждого электрона в отдельности; B этом случае жесткость излучения не изменяется, интенсивность же возрастает пропорционально числу электронов, т. е. пропорционально величине тока. Из изложенного следует, что жесткость излучения, испускаемого трубкой, определяется только приложенным K ней напряжением, интенсивность же - напряжением и величиной тока. 3) Материал, из которого приготовлен анод, не влияет на длину волн спектра лучей торможения, но оказывает влияние на интенсивность каждого из лучей, входящих в пучок, и на общую интенсивность излучения, которая растет пропорционально порядковому номеру Z вещества анода: где с - константа, не зависящая от Z. Лучшим материалом для анода трубки являются вещества с большим атомным номером; в медицинских трубках зеркальце анода изготовляется из платины (Z - 78) или вольфрама (Z = 74). Общая интенсивность смешанного излучения, испускаемого трубкой, выражается формулой где k - коэффициент пропорциональности, равный . При неизменном материале зеркала анода, как это имеет место в медицинской практике, интенсивность излучения, испускаемого трубкой, можно повысить, увеличивая ток в трубке, а также повышая анодное напряжение. Последний способ более эффективен, поскольку при этом интенсивность возрастает пропорционально квадрату приложенного напряжения. В приведенных выше рассуждениях мы исходили из того, что трубка питается постоянным током и напряжением. При пульсирующем или прерывисто-пульсирующем напряжении величина напряжения сначала нарастает каждый момент до определенного максимума, а затем постепенно падает до нуля. Каждое значение напряжения момента создает свою кривую распределения интенсивности излучения с своей большей граничной длиной волны и с меньшей интенсивностью полного излучения. Только максимальное за период значение напряжения создает излучение с такой граничной длиной волны, которая и будет минимальной длиной волны всего излучения в целом; она соответствует граничной волне постоянного не пульсирующего тока, имеющего напряжение, равное максимальному напряжению переменного тока, и может быть определена по приведенной выше формуле (7-8). Рис 133. Кривые напряжения в общей интенсивности излучения, a-кривая напряжения на только втамомент пераксимального напряжения общая интенсивность излучениям будет такая же как при постоянном не нульсирующем моментным напряжениям на же напряжения. Моменту 3 на рис. 133,а соответствует кривая 3 на рис. 133, б. Всем остальным моментам более низких напряжений 1, 2, 4, 5 (рис. 133, a) будут соответствовать и более низкие значения общей интенсивности излучения кривые 2 и 4 и 1 и 5 (рис. 133, б). Иначе говоря, кривая распределения интенсивности в спектре излучения такой трубки будет меняться во времени: ее эффективный спектр будет иметь такую же граничную длину волны ( ), как и в случае постоянного напряжения, равного амплитудному напряжению синусоидально-пульсирующего напря жения; максимум же интенсивности излучения ) будет сдвинут вправо, в сторону больших длин волн; и интенсивность всего спектра излучения станет меньше. Смешанное излучение, генерируемое трубкой, питаемой переменным током, можно рассматривать как некоторое однородное излучение, имеющее «эффективную» длину волны ( ); она характеризует пучок рентгеновых лучей в целом, который в этом случае можно рассматривать как однородный пучок. Согласно общесоюзному стандарту эффективная, или эквивалентная длина волны определяется как длина волны однородного пучка рентгеновых лучей, интенсивность которого ослабляется некоторым слоем облучаемой среды во столько раз, как и интенсивность данного смешанного пучка лучей. Эмпирически установлено, что для постоянного напряжения а Для переменного напряжения Жесткость лучей спектра торможения определяется не только его граничной волной, но еще и распределением в нем интенсивности по разным длинам волн входящих в него лучей (длинноволновых и коротковолновых). Чем ближе ,к , тем жестче исследуемый пучок лучей. 6. Коэфициент полезного действия рентгеновской трубки. Если количество энергии рентгеновых лучей, падающее в единицу времени на Данную поверхность, назвать мощностью излучения P, а затраченную на ускорение электронов, воспринимаемую анодом электрическую энергию электрической мощностью Р., то отношение мощности излучения Р к затрачиваемой электрической мощности , будет выражать коэфициент полезного действия (к.п.д.) трубки; его обозначают символом (греческая буква <<эта»): Подставляя в это равенство вместо Р ее значение , (7-13) и вместо величину (4-13), получаем: где к - коэфициент пропорциональности, равный т. е. к.п.д. трубки возрастает с увеличением анодного напряжения. Для вольфрамового анода к.п.д. при напряжении 100 кв меньше 1 %. При повышении напряжения он растет: при 150 кв 1,64%, при 400 кв около 3%. Анод в рентгеновской трубке изготовляется из платины и из вольфрама не только потому, что у них высокая температура плавления, но и потому, что они дают более высокий к.п.д. Из изложенного следует, что средняя за период интенсивность излучения зависит от формы кривых анодного напряжения и анодного тока; при этом отдача рентгеновского излучения при неизменных показателях киловольтметра и миллиамперметра C изменением формы кривой напряжения изменяется примерно в следующих соотношения/; если отдачу при практически постоянном напряжении принять равной 1,0, то при пульсирующем напряжении в кенотронной схеме она будет выражаться числом 0,5, при пульсирующем напряжении в схеме удвоения - числом 0,375 и при пульсирующем напряжении в схеме утраивания числом 0,5. Вместе с тем излучение при постоянном напряжении является более однородным и более жестким, чем при пульсирующем излучении. Из диагностических аппаратов наименее Выгодным Является полуволновый аппарат; у него в единицу времени через трубку проходит наименьшее количество электричества, в соответствии с чем имеется наименьшая отдача рентгеновской энергии; наиболее выгодным является шестикенотронный аппарат. Из терапевтических аппаратов наименее выгодный - аппарат по схеме Вилларда, затем идет аппарат по схеме Витка и наиболее выгодный — аппарат по схеме Грейнахера типа стабиливольт. Из изложенного следует, что для глубокой терапии, где требуется в первую очередь максимальная интенсивность и большая однородность излучения, выгоднее работать на постоянном не пульсирующем напряжении. Для диагностики же более выгодным является смешанное излучение, коротковолновая часть которого обеспечивает необходимую жесткость, прорабатывающую контуры деталей, тогда мягковолновый комплекс создает достаточный контраст. как значительный. 2. Rentgen nurlarining harakteristiklari Характеристический спектр Рентгеновского излучения, в противоположность непрерывному его спектру, состоит из отдельных спектральных линий, т. е. из раздельного ряда волн различной длины, которые зависят только от атомного номера вещества анодного зеркала трубки и не зависят от анодного напряжения. Он состоит из нескольких групп (серий) линий, отличающихся друг от друга длиной волны. Для тяжелых элементов найдено семь таких серий линий, которые обозначаются буквами К, Ь, M, N, O, P, Q. Наиболее жесткая группа представлена серией; более мягкие представлены прочими сериями. характеристические лучи. Исходя из планетарной модели атома, возбуждение характеристического спектра можно представить следующим образом. Когда движущийся в рентгеновской трубке от катода к аноду электрон при столкновении его с электроном какого-либо атома вещества анода сорвет его с его орбиты и выбросит за пределы атома, то на освободившееся место упадет другой электрон с одной из расположенных выше орбит, обладающей большей энергией, чем та орбита, на которую он упадет. При таком переходе освободится часть внутриатомной энергии, которая и излучается в виде одного кванта характеристического излучения. Очевидно, что каждой паре орбит соответствует квант определенной величины и, следовательно, излучение определенной длины волны и определенная линия в спектре характеристического излучения. Так как строение электронной оболочки меняется от одного химического элемента к другому, то каждый элемент даст свой особый характеристический спектр. Отсюда его название характеристическое излучение. Линейный спектр рентгеновых лучей является атомным свойством вещества. Поэтому линейный спектр латуни, содержащей в себе медь и цинк, имеет в своем составе линии, принадлежащие спектрам меди и цинка. Из изложенного вытекает, что линейный спектр наблюдается не при всяком напряжении; для возбуждения в характеристическом спектре данного химического элемента определенной серии линий, соответствующих переходу электронов на определенную орбиту, необходимо, чтобы запас кинетической энергии электрона, движущегося в трубке от катода к аноду, был достаточен для удаления электрона за пределы атома именно с этой орбиты. Величина приложенного к трубке напряжения Uk называется критическим напряжением данной серии. Так, например, для свинца (атомный номер 82) критическое напряжение С-серии равно 87,6 ке и Л-серии- -15,8 ке для серебра (атомный номер 47) соответственно 25,5 и 3,8 кв. Энергия связи электронов, находящихся в слое Д', больше, чем энергия связи электронов, находящихся на расположенных выше слоях L., M и других, так как они находятся ближе к ядру и в соответствии с этим испытывают с его стороны большее притяжение. Поэтому для того, чтобы выбить электрон из слоя д', необходимо внести в атом больший запас энергии извне. При постепенном уменьшении приложенного к трубке напряжения наблюдается постепенное уменьшение интенсивности линий спектра и постепенное исчезновение каждой серии в обратном порядке при переходе через критическое напряжение. Первой при уменьшении напряжения исчезает Д-серия, имеющая наибольшее критическое напряжение. При дальнейшем уменьшении напряжения достигается значение напряжения, при котором исчезнет серия Л, и т. д. Если сравнивать спектры соседних в таблице Менделеева элементов, то можно отметить определенный сдвиг в расположении линий одной и той же серии. Так, например, линии Д-серии у мышьяка (Z=33) занимают некоторое положение; у селена (Z34) эти же линии сдвинуты несколько вправо; у брома (Z=35) они сдвинуты почти на такое же расстояние еще дальше вправо и т. д. Английский физик Мозели, исследуя лучи Д и L для большого количества элементов, установил, что они правильно перемещаются в сторону уменьшающихся длин волн, если в системе элементов в таблице Менделеева переходить от одного элемента к другому в порядке увеличивающихся номеров. При этом он принял, что для алюминия Z = 13, так как от водорода до алюминия все места в таблице Менделеева были заняты и не было оснований предполагать, что в этом промежутке существуют еще какие-либо другие неизвестные элементы. Когда промежуток между двумя «соседними» элементами оказывался больше нормального, это означало, что между ними должен находиться еще неизвестный элемент. Таким путем о и мог определить номера еще неизвестных элементов, а также общее число элементов от водорода до урана. Тут же оказалось, что в периодической системе кобальт (227) должен стоять раньше никеля (Z=28), как их поставил Менделеев, хотя атомный вес у кобальта больше, чем у никеля. Энергия характеристического спектра значительно меньше энер спектра торможения; характеристическое излучение гораздо мяЛе излучения спектра торможения и в значительной части поглощается стеклом трубки, которое по своей ослабляющей способности примерно эквивалентно 1 мм алюминия. Поэтому практически можно считать, что действие рентгеновых лучей обусловливается лишь спектром торможения. Специфические же свойства характеристического спектра используются при некоторых методах рентгеноструктурного анализа и при рентгеноспектральном анализе. 8. Взаимодействие рентгеновых лучей с веществом. Ослабление энергии пучка лучей. Прохождение рентгеновых лучей через вещество сопровождается рядом вторичных процессов, являющихся результатом взаимодействия между ними и атомами вещества. В результате такого взаимодействия энергия рентгеновых лучей по мере проникновения их внутрь тела непрерывно уменьшается. При этом фотон рентгеновского излучения исчезает, поглощается одним из электронов атома, а его энергия полностью расходуется на работу вырывания электрона и на сообщение ему еще кинетической энергии. Фотоэффект возможен лишь при условии, что энергия фотона значительно превосходит энергию связи электрона. Если рентгеновская энергия поглощается наружным, слабо связанным C атомом электроном, поглощенный квант энергии лишь в малой своей части будет израсходован на вырывание электрона из атома; остальная, большая его часть затратится на придачу вырванному электрону большой скорости движения. Этот процесс ионизации атома в наружном его слое сопровождается удалением из него быстрого электрона, который на своем пути, сталкиваясь с другими атомами, вырывает также и у них электроны, создавая вторичную ионизацию атомов. Эти вторичные электроны, встречаясь с атомами вещества, способны создавать третичную ионизацию атомов и т. д. Быстрые электроны вполне аналогичны тем электронам, которые получаются при Фотоэлектрическом эффекте и потому получили название фотоэлектронов. Если же поглощение фотона совершится на одной из внутренних орбит, то в этом случае на удаление электрона из атома затрачивается значительная часть поглощенного рентгеновского кванта; на придание же ему скорости останется лишь небольшая часть кванта, вследствие чего электрон совершит в веществе незначительный пробег (медленный электрон). Уже при напряжениях генерирования порядка 120 кв возникают фотоны рентгеновского излучения, способные вырвать электроны из любых слоев электронных оболочек атомов всех элементов таблицы Менделеева. Место выброшенного с внутренней орбиты электрона займет другой электрон, падающий с одной из отдаленных наружных ор- 222 бит. Такая перегруппировка электронов сопровождается образованием характеристического излучения вещества (рентгеновых лучей большей длины волны), которое называется вторичным излучением поглощающего вещества. Из изложенного следует, что поглощаться могут только такие рентгеновы лучи, кванты которых достаточно велики, чтобы сорвать какой ни будь электрон с его орбиты и выбросить его за пределы атома. В сложных же веществах, и в первую очередь органических, образованные при ионизации ионы в процессе их воссоединения в нейтральную молекулу (рекомбинация ионов) не всегда будут давать молекулы исходного вещества, а могут образовывать новые молекулы, т. е. изменять их химические свойства. В живой ткани эти изменения в конечном итоге приводят к биологическим эффектам, при этом клетка повреждается путем прямого повреждения ее молекул и нарушением ее ферментативных реакций или непрямым действием через молекулярные изменения, вызываемые в окружающей ее среде. 2. Рассеяние. Остальное ослабление пучка рентгеновых лучей совершается за счет рассеяния. Под рассеянием в оптике (в световых лучах) разумеют такое явление, когда проходящие через мутную среду лучи при встрече с взвешенными в ней частичками не поглощаются ими, а отклоняются от своего первоначального направления и рассеиваются по всем направлениям. Длина волны лучей при этом не изменяется; меняется только их направление. Когда световые лучи проходят через запыленный воздух, Они отражаются OT взвешенных B воздухе ПЫЛИНОК BO всевозможных направлениях. Интенсивность пучка лучей, проходящего через такую мутную среду, окажется ослабленной на долю интенсивности рассеянных лучей, отклонившихся от своего первоначального направления и вследствие этого выведенных из пучка. При прохождении рентгеновых лучей через вещество часть лучей также не поглощается, а только отклоняется в различные стороны и потому отсутствует в пучке, прошедшем сквозь вещество. Разница только в том, что мутность среды для света обусловлена взвешенными в ней достаточно крупными частицами; для рентгеновых же лучей, вследствие малой длины их волны, любая прозрачная среда представляется мутной. Роль пылинок для них, рассеивающих центров, играют сами атомы или молекулы вещества. При рассеянии рентгеновых лучей наблюдаются две возможности. Первая, когда на вещество падают мягкие лучи, отдельные фотоны которых несут с собой небольшой запас лучистой энергии. В случае столкновения такого фотона с атомом происходит упругий удар, т. е. фотон только меняет направление своего движения и почти не изменяет своей скорости; обмена энергиями между фотоном и атомом не будет, и длина волны такого луча не изменится. То же самое произойдет, когда на вещество упадет фотон жесткого излучения, если только при этом фотон столкнется с электроном, находящимся на внутренней орбите, а энергия его окажется недостаточной для того, чтобы поднять этот электрон на поверхность атома. В этом случае фотон также лишь отклонится в сторону, длина же волны у него останется неизменной. В обоих случаях произойдет классическое (или когерентное) рассеяние. Классическое рассеяние имеет существенное значение для излучений с жесткостью в пределах 60-100 кв и веществ с малым атомным номером, т. e. в биологической среде, которой являются также ткани организма человека. Этот процесс взаимодействия аналоги чен упругому столкновению двух шаров, когда масса неподвижного шара во много раз больше движущегося. Рис. 134. Комптоновское рассеяние. Стрелкой или с наружным электроном показан фотон, летящий в направлении АВ. При этом электрон испытает толчок (отдачу) и начнет перемещаться под некоторым углом к первоначальному направлению движения. Если АВ- первоначальное направление движения фотона (рис. 134) 0 - электрон, то после столкновения фотона с электроном последний будет двигаться в направлении С под углом ф, ft фотон, отклонившись под углом <р, будет продолжать свое движение в направлении OD. Если первоначальный запас энергии фотона мы обозначим через a остаточный запас энергии после его столкновения с электроном , то очевидно, что возникший после столкновения фотона с электроном - через новый квант лучистой энергии окажется меньше первоначального: То же произойдет и тогда, когда энергия фотона в тысячи раз превышает энергию связи внутреннего электрона или фотон взаимодействует с свободным от связей электроном. В этом случае будет также иметь место только частичная передача энергии фотона; остаточная же часть его энергии будет излучаться в виде фотона рассеяния, имеющего меньшую энергию, т. е. в виде излучения большей длины волны. Электрон, получивший часть энергии от падающего кванта фотона и изменивший направление своего движения, называется электроном отдачи. Такое рассеяние рентгеновых лучей, когда падающие на вещество первичные лучи не только изменяли свое направление, но и длину волны, наблюдалось уже давно. Объяснение этому факту дал американский физик А. Комптон; поэтому этот вид рассеяния называют комптоновским рассеянием. Грубо говоря, падающий рентгеновский фотон при этом виде рассеяния ведет себя как движущийся шарик и, по образному выражению Комптона, происходит как бы игра на биллиарде фотонами и электронами. Комптоновское рассеяние происходит только в том случае, когда энергия фотона превышает энергию связи электрона в атоме примерно в 10 000 раз и электрон можно считать свободным. В прочих случаях чаще происходит фотоэлектрическое поглощение и классическое рассеяние. При комптоновском рассеянии фотоны взаимодействуют, главным образом, с внешними (валентными) электронами, при фотоэлектрическом поглощении - с электронами внутренних оболочек, чаще К-оболочки. Электроны отдачи могут возбудить другие атомы, на которые они попадают, и вызвать вторичное излучение этого вещества. В конечном результате взаимодействия рентгеновского излучения с веществом получается некоторое количество энергии, уносимой в виде излучения, и некоторое количество энергии, преобразованной в энергию электронов. Первая часть - это энергия рассеяния, вторая энергия поглощения. Кинетическая энергия фотоэлектронов, электронов отдачи и электронов и позитронов, возникающих при «образовании пар», при их взаимодействии с атомами вещества, вызывает различные виды действия рентгеновых лучей. В светочувствительной эмульсии рентгеновских пленок под ее действием возникает «скрытое изображение»; в ряде веществ, именуемых люминофорами, она вызывает флуоресценцию видимое глазом свечение; в воздухе она увеличивает электрическую проводимость и вызывает явление ионизации; в некоторых случаях она вызывает различные химические реакции, как то: разложение водных растворов, окрашивание кристаллов и т. п. В тканях человека, животных и растений она вызывает биологическое действие путем прямого повреждения их молекул или нарушения ферментативных реакций. Все перечисленные результаты взаимодействия рентгеновых лучей с веществом, связанные с ионизационным эффектом, зависят от величины поглощенной энергии и используются при применении их в медицинской практике. 3. Rentgen nurlanishining moddadan o'tganda zaiflashishini aniqlaydigan qonuniyatlar Закономерности, определяющие ослабление рентгеновского излучения при прохождении его сквозь вещество. При прохождении пучка рентгеновых лучей сквозь вещество он претерпевает ослабление, которое складывается из истинного поглощения и рассеяния. Биологическое и фотографическое действия рентгеновых лучей теснейшим образом связаны с этими двумя явлениями. Поэтому необходимо ознакомиться с закономерностями, которые их определяют. Ослабление первичного пучка монохроматического рентгеновского излучения, т. е. излучения, состоящего из лучей одной только длины волны, определяется по следующей формуле: От куда В приведенных формулах интенсивность падающего на - ослабляющее тело излучения; . интенсивность излучения, прошедшего через слой вещества толщиной D; - так называемый линейный коэфициент ослабления; е-основание в натуральной системе логарифмов. Исследование узкого параллельного пучка монохроматических лучей, т.е. пучка, состоящего из лучей одной определенной длины волны, показало, что ослабление его совершается по экспоненциальному закону. Это означает, что относительное уменьшение интенсивности, происходящее в каком-либо слое вещества, есть величина постоянная, не зависящая от того, ослаблялись ли лучи до того нет. Иными словами, каждый или последующий слой поглощает такую же долю излучения, проходящего через него, как и предыдущий. При этом ослабление тем больше, чем толще поглощающий слой. Обозначим интенсивность такого пучка на поверхности тела равной 100 условным единицам и разложим мысленно тело на параллельные слои толщиной 1 мм каждый. Допустим, что в первом верхнем слое ослабление произошло на 15%. Тогда на верхней границе второго слоя останется только 85 единиц первоначальной интенсивности. Во втором слое произойдет ослабление интенсивности снова на 15% и, следовательно, на поверхности третьего слоя останется только 72,25 единицы интенсивности. В третьем слое поглотится снова 15%, но уже от этой остаточной интенсивности, и на поверхности четвертого слоя останется 61,41 единицы интенсивности и т. д. Каждый следующий слой будет поглощать 15% падающей на него интенсивности и получать ровно 85/100 той интенсивности, которая была на поверхности предшествующего слоя. Очевидно, что при прохождении излучения через сколь угодно большую толщину поглотителя его интенсивность не уменьшается до нуля. Это означает, что полностью поглотить рентгеновское излучение нельзя - его можно только ослабить, т. е. уменьшить его 226 интенсивность до сколь угодно малого значения, что необходимо помнить при защите от вредного его действия. Из изложенного явствует, что ослабление интенсивности в абсолютных числах происходит, главным образом, в поверхностных слоях, а на глубине оно становится все меньше и меньше. Действительно, в первом слое ослабление первичного пучка лучей произошло на 15 единиц, во втором на 13, в третьем на 11, в восьмом на 5, в девятом на 4 и в десятом - на 3 единицы. Ослабление интенсивности зависит также от длины волны падающего на тело излучения (табл. 3). Таблица 3
Из приведенной таблицы ясно, что ослабление интенсивности резко увеличивается с уменьшением жесткости, или, что то же, с увеличением длины волны, и что для каждого из приведенных излучений остаточная, прошедшая через исследуемые слои интенсивность с увеличением толщины слоя уменьшается, но при этом тем больше, чем меньше жесткость излучения падающих лучей. Менее жесткое излучение ослабляется при прохождении сквозь вещество значительно больше, чем более жесткое. Помимо толщины слоя и длины волны падающего излучения, ослабление зависит еще от плотности вещества. Водяной пар при атмосферном давлении и 100°С ослабляет рентгеновский пучок в меньшей степени, чем такой же толщины слой воды в жидком состоянии. Это объясняется тем, что количество атомов в 1 см³ водяного пара меньше, чем в 1 см³ воды в жидком состоянии; поэтому пучок рентгеновых лучей, проходя через пар, встречает на своем пути меньше атомов, чем при прохождении сквозь 1 см воды в жидком состоянии, и меньше ослабляется. Ослабление зависит еще и от химического состава поглощающего вещества: элементы с высоким атомным номером ослабляют пучок рентгеновых лучей в большей степени, чем элементы с низким атомным номером (рис. 135). Коэфициент µ является мерой относительного ослабления ин тенсивности рентгеновых лучей, происходящего на единице длины пути, т. е. при прохождении излучения через слой вещества толщиной, равной единице. Поэтому величине л присвоено наименование линейного коэфициента ослабления. Линейный коэфициент ослабления можно определить еще как отношение части светового потока, претерпевшей ослабление, ко всему световому потоку, падающему на поверхность облучаемого тела. Для характеристики ослабления рентгеновых лучей чаще всего пользуются значением так называемого массового коэфициента Ослабления его обозначают , где р - плотность вещества. Он Характеризует относительное ослабление интенсивности потока рентгеновского излучения при прохождении слоя вещества массой 1 г, заключенной в цилиндре или параллелепипеде, с площадью основания, равной 1 см². Массовый коэфициент ослабления не зависит от физического состояния вещества, чего нельзя сказать о линейном коэфициенте ослабления. 1 г воды, льда и водяного пара, сосредоточенный в объеме с сечением 1 см2, ослабляет рентгеновы лучи в одно и то же количество раз. Рис. 135. Ослабление пучка рентгеновых лучей при прохождении сквозь вещество: 1 - сквозь 3 мм алюминия; У - сквозь 1 мм алюминия; 3 сквозь 1 мм свинца. В сложном веществе, состоящем из различных элементов, ослабление интенсивности является простой суммой ослаблений, производимых отдельными атомами, или, как говорят, ослабление интенсивности рентгеновых лучей есть аддитивное свойство атомов. Для характеристики ослабления пучка рентгеновых лучей в веществе пользуются еще атомным коэфициентом ослабления Он характеризует ослабление в слое, содержащем 1 атом на 1 см2. Для того чтобы охватить всю совокупность явлений, сопровождающих ослабление рентгеновых лучей при прохождении их сквозь вещество, необходимо еще отдельности B поглощения истинного И ознакомиться с закономерностями рассеяния. При исследовании этих закономерностей пользуются линейным коэфициентом поглощения µ линейным коэфициентом рассеяния а, массовым коэфициентом поглощения -у и массовым коэфициентом рассеяния -y, a также атомным коэфициентом поглощениями атомным коэфициентом рассеяния а.. Смысл и построение этих коэфициентов аналогичны коэфициентам ослабления, приведенным выше. Возвращаясь к формулам (7-18) и (7-19), можно заключить, что с увеличением коэфициента ослабления µ и толщины слоя D отношение о уменьшается и, следовательно, ослабление первичного пучка лучей увеличивается. Так, расчет показывает, что при µD, равном 0,7408, а при µD, равном Во втором случае = интенсивность прошедшего излучения уменьшилась. 10. Коэфициенты истинного поглощения и коэфициент рассеяния рентгеновых лучей. Согласно опытным исследованиям, массовый и атомный коэфициенты пропорциональными четвертой степени порядкового номера элемента Z и третьей степени длины волны 𝛌: и Очевидно, что для данного вещества поглощение резко падает с уменьшением длины волны; для данного же излучения оно резко увеличивается с увеличением атомного номера вещества. Атом свинца (Z = 82) поглощает лучи Рентгена приблизительно в 35 000 раз больше, чем атом углерода (Z=6): Когда требуется определить массовый коэфициент поглощения для вещества, состоящего из нескольких элементов, то его подсчитывают как сумму массовых коэфициентов поглощения каждого из элементов, входящих в состав данного вещества. Так, например, кость состоит главным образом из кальция, фосфора и кислорода в соотношениях , или Массовый коэфициент поглощения мягких тканей практически равняется массовому коэфициенту поглощения воды ( ). Поэтому костная ткань поглощает рентгеновы лучи во много раз больше, чем мягкие ткани; это позволяет легко различать В Рентгеновском изображении кости на фоне мягких тканей, так как участок фотографической пленки под костью получит во много раз меньше рентгеновых лучей, нежели соседний участок под мягкими тканями, и потому почернение пленки под костью будет в соответственное число раз меньше, чем под мягкими тканями. На той же закономерности основано так называемое контрастное исследование полостных органов путем введения в них иода (Z=53), бария (Z=56) и других веществ с высоким атомным номером. В организме человека можно различить четыре степени поглощения рентгеновых лучей: наименьшее в воздухе и газах, затем в жировой ткани, в мягких тканях и наибольшее - в костной ткани. И. В. Поройков приводит следующие численные значения массового коэфициента истин поглощения рентгеновых лучей в костной, мышечной и жировой тканях (табл. 4). Таблица-4
Download 308.81 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||