X-STARU STAROJUMS
neredzams starojums, kas spēj iekļūt, lai gan dažādās pakāpēs, visās vielās. Tas ir elektromagnētiskais starojums ar viļņa garumu 10-8 cm.Tāpat kā redzamā gaisma, rentgenstari izraisa fotofilmas melnināšanu. Šis īpašums ir svarīgs medicīnai, rūpniecībai un zinātniskajai pētniecībai. Izejot cauri pētāmajam objektam un pēc tam nokrītot uz fotofilmas, rentgena starojums uz tā attēlo tā iekšējo struktūru. Tā kā rentgena starojuma caurlaidības spēja dažādiem materiāliem ir atšķirīga, objekta daļas, kas tam ir mazāk caurspīdīgas, fotogrāfijā rada gaišākus laukumus nekā tās, caur kurām starojums labi iekļūst. Tādējādi kaulu audi ir mazāk caurspīdīgi rentgena stariem nekā audi, kas veido ādu un iekšējos orgānus. Tāpēc rentgenā kauli tiks norādīti kā gaišāki laukumi un radiācijai caurspīdīgāka lūzuma vieta būs diezgan viegli pamanāma. Rentgenstarus izmanto arī zobārstniecībā, lai atklātu kariesu un abscesus zobu saknēs, un rūpniecībā, lai atklātu plaisas līstēs, plastmasā un gumijā. Rentgenstarus izmanto ķīmijā, lai analizētu savienojumus un fizikā, lai pētītu kristālu struktūru. Rentgenstaru kūlis, kas iet cauri ķīmiskam savienojumam, izraisa raksturīgu sekundāro starojumu, kura spektroskopiskā analīze ļauj ķīmiķim noteikt savienojuma sastāvu. Krītot uz kristāliskas vielas, rentgena staru kūlis tiek izkliedēts pa kristāla atomiem, dodot uz fotoplāksnes skaidru, pareizu plankumu un svītru rakstu, kas ļauj noteikt kristāla iekšējo struktūru. Rentgenstaru izmantošana vēža ārstēšanā ir balstīta uz faktu, ka tie nogalina vēža šūnas. Tomēr tam var būt nevēlama ietekme arī uz normālām šūnām. Tāpēc, izmantojot rentgena starus šādā veidā, ir jābūt ļoti uzmanīgiem. Rentgenstarus atklāja vācu fiziķis V. Rentgens (1845-1923). Viņa vārds ir iemūžināts arī citos fizikālos terminos, kas saistīti ar šo starojumu: Rentgens ir starptautiskā mērvienība jonizējošā starojuma devai; attēlu, kas uzņemts rentgena aparātā, sauc par rentgena staru; radioloģiskās medicīnas jomu, kurā slimību diagnosticēšanai un ārstēšanai izmanto rentgena starus, sauc par radioloģiju. Rentgens atklāja starojumu 1895. gadā, kad viņš bija fizikas profesors Vircburgas Universitātē. Eksperimentējot ar katodstariem (elektronu plūsmām izlādes caurulēs), viņš pamanīja, ka ekrāns, kas atrodas netālu no vakuuma caurules, pārklāts ar kristālisku bārija cianoplatinītu, spilgti spīd, lai gan pati caurule ir pārklāta ar melnu kartonu. Tālāk Rentgens atklāja, ka viņa atklāto nezināmo staru caurlaidības spēja, ko viņš sauca par rentgena stariem, ir atkarīga no absorbējošā materiāla sastāva. Viņš arī ieguva savas rokas kaulu attēlu, ievietojot to starp izlādes cauruli ar katoda stariem un ekrānu, kas pārklāts ar bārija cianoplatinītu. Rentgena atklāšanai sekoja citu pētnieku eksperimenti, kuri atklāja daudzas jaunas šī starojuma īpašības un pielietojumu. Lielu ieguldījumu sniedza M. Laue, V. Frīdrihs un P. Knipings, kuri 1912. gadā demonstrēja rentgena starojuma difrakciju, kad tas iziet cauri kristālam; W. Coolidge, kurš 1913. gadā izgudroja augsta vakuuma rentgenstaru cauruli ar apsildāmu katodu; G. Moseley, kurš 1913. gadā noteica saistību starp starojuma viļņa garumu un elementa atomskaitli; G. un L. Braggi, kuri 1915. gadā saņēma Nobela prēmiju par rentgenstaru strukturālās analīzes pamatu izstrādi.
RENTGENA STAROJUMA IEGŪŠANA
Rentgena starojums rodas, kad elektroni, kas pārvietojas lielā ātrumā, mijiedarbojas ar vielu. Kad elektroni saduras ar jebkuras vielas atomiem, tie ātri zaudē savu kinētisko enerģiju. Šajā gadījumā lielākā daļa pārvēršas siltumā, un neliela daļa, parasti mazāka par 1%, tiek pārvērsta rentgena enerģijā. Šī enerģija tiek atbrīvota kvantu veidā - daļiņas, ko sauc par fotoniem, kurām ir enerģija, bet kuru miera masa ir nulle. Rentgenstaru fotoni atšķiras ar savu enerģiju, kas ir apgriezti proporcionāla to viļņa garumam. Parastā rentgenstaru ražošanas metode rada plašu viļņu garumu diapazonu, ko sauc par rentgenstaru spektru. Spektrs satur izteiktas sastāvdaļas, kā parādīts attēlā. 1. Plašu "kontinuumu" sauc par nepārtrauktu spektru jeb balto starojumu. Uz tā uzliktās asās virsotnes sauc par raksturīgām rentgenstaru emisijas līnijām. Lai gan viss spektrs ir elektronu sadursmes ar vielu rezultāts, tā plašās daļas un līniju rašanās mehānismi ir atšķirīgi. Viela sastāv no liela skaita atomu, no kuriem katram ir kodols, ko ieskauj elektronu apvalki, un katrs elektrons konkrētā elementa atoma apvalkā aizņem noteiktu diskrētu enerģijas līmeni. Parasti šīs čaulas jeb enerģijas līmeņus apzīmē ar simboliem K, L, M utt, sākot no kodolam vistuvāk esošās čaulas. Kad krītošs elektrons ar pietiekami augstu enerģiju saduras ar kādu no elektroniem, kas saistīti ar atomu, tas izsit šo elektronu no čaulas. Tukšo vietu aizņem cits elektrons no čaulas, kas atbilst lielai enerģijai. Šis pēdējais atdod lieko enerģiju, izstarojot rentgena fotonu. Tā kā čaulu elektroniem ir diskrētas enerģijas vērtības, arī topošajiem rentgena fotoniem ir diskrēts spektrs. Tas atbilst asiem pīķiem noteiktiem viļņu garumiem, kuru īpašās vērtības ir atkarīgas no mērķa elementa. Raksturīgās līnijas veido K-, L- un M-sērijas atkarībā no tā, no kura apvalka (K, L vai M) elektrons tika noņemts. Sakarību starp rentgenstaru viļņa garumu un atomskaitli sauc par Mozeleja likumu (2. att.).
Ja elektrons ietriecas relatīvi smagā kodolā, tas tiek palēnināts, un tā kinētiskā enerģija tiek atbrīvota apmēram tādas pašas enerģijas rentgena fotona veidā. Ja tas lidos garām kodolam, tas zaudēs tikai daļu savas enerģijas, bet pārējais tiks pārnests uz citiem atomiem, kas nonāks tā ceļā. Katrs enerģijas zuduma akts noved pie fotona emisijas ar noteiktu enerģiju. Parādās nepārtraukts rentgenstaru spektrs, kura augšējā robeža atbilst ātrākā elektrona enerģijai. Tas ir nepārtraukta spektra veidošanās mehānisms, un maksimālā enerģija (vai minimālais viļņa garums), kas nosaka nepārtrauktā spektra robežu, ir proporcionāls paātrinājuma spriegumam, kas nosaka krītošo elektronu ātrumu. Spektrālās līnijas raksturo bombardētā mērķa materiālu, un nepārtraukto spektru nosaka elektronu stara enerģija un tas praktiski nav atkarīgs no mērķa materiāla. Rentgenstarus var iegūt ne tikai ar elektronu bombardēšanu, bet arī apstarojot mērķi ar rentgena stariem no cita avota. Tomēr šajā gadījumā lielākā daļa krītošā staru kūļa enerģijas nonāk raksturīgajā rentgenstaru spektrā, un ļoti maza daļa no tā krīt uz nepārtraukto. Acīmredzot krītošajam rentgena staram jābūt fotoniem, kuru enerģija ir pietiekama, lai ierosinātu bombardētā elementa raksturīgās līnijas. Augstais enerģijas procentuālais daudzums raksturīgajā spektrā padara šo rentgenstaru ierosināšanas metodi ērtu zinātniskiem pētījumiem.
Rentgena lampas. Lai iegūtu rentgena starojumu elektronu mijiedarbības ar vielu dēļ, ir jābūt elektronu avotam, līdzekļiem to paātrināšanai līdz lielam ātrumam un mērķim, kas spēj izturēt elektronu bombardēšanu un radīt vajadzīgās intensitātes rentgena starus. Ierīci, kurā tas viss satur, sauc par rentgena cauruli. Pirmie pētnieki izmantoja mūsdienu gāzizlādes cauruļu tipa "dziļi evakuētas" caurules. Vakuums tajos nebija īpaši liels. Gāzizlādes caurulēs ir neliels gāzes daudzums, un, kad caurules elektrodiem tiek pielietota liela potenciālu starpība, gāzes atomi tiek pārvērsti pozitīvos un negatīvos jonos. Pozitīvie pāriet uz negatīvo elektrodu (katodu) un, uz tā krītot, izsit no tā elektronus, un tie savukārt pāriet uz pozitīvo elektrodu (anodu) un, to bombardējot, rada rentgena fotonu plūsmu. Mūsdienu Coolidge izstrādātajā rentgenstaru caurulē (3. att.) elektronu avots ir līdz augstai temperatūrai uzkarsēts volframa katods. Elektronus paātrina līdz lieliem ātrumiem lielā potenciāla starpība starp anodu (vai antikatodu) un katodu. Tā kā elektroniem ir jānonāk līdz anodam, nesaduroties ar atomiem, ir nepieciešams ļoti augsts vakuums, kam caurule ir labi jāiztukšo. Tas arī samazina atlikušo gāzes atomu jonizācijas iespējamību un no tā izrietošās sānu strāvas.
Elektroni tiek fokusēti uz anodu, izmantojot īpašas formas elektrodu, kas ieskauj katodu. Šo elektrodu sauc par fokusēšanu un kopā ar katodu veido caurules "elektronu prožektoru". Ar elektroniem bombardētajam anodam jābūt izgatavotam no ugunsizturīga materiāla, jo lielākā daļa bombardējošo elektronu kinētiskās enerģijas tiek pārvērsta siltumā. Turklāt ir vēlams, lai anods būtu izgatavots no materiāla ar augstu atomskaitli, kopš rentgenstaru iznākums palielinās, palielinoties atomu skaitam. Visbiežāk kā anoda materiāls tiek izvēlēts volframs, kura atomu skaits ir 74. Rentgenlampu dizains var atšķirties atkarībā no lietošanas apstākļiem un prasībām.
RENTGENA STAROJUMA NOTEIKŠANA
Visas rentgenstaru noteikšanas metodes balstās uz to mijiedarbību ar vielu. Detektori var būt divu veidu: tie, kas rada attēlu, un tie, kas nedod attēlu. Pirmajās ietilpst rentgena fluorogrāfijas un fluoroskopijas ierīces, kurās rentgenstaru starojums iziet cauri pētāmajam objektam, un pārraidītais starojums skar luminiscējošu ekrānu vai fotofilmu. Attēls parādās tāpēc, ka dažādas pētāmā objekta daļas dažādos veidos absorbē starojumu – atkarībā no vielas biezuma un sastāva. Detektoros ar luminiscējošu ekrānu rentgena starojuma enerģija tiek pārvērsta tieši novērojamā attēlā, savukārt rentgenstaru difrakcijā tā tiek fiksēta uz jutīgas emulsijas un ir novērojama tikai pēc plēves attīstīšanās. Otra veida detektori ietver ļoti dažādas ierīces, kurās rentgena starojuma enerģija tiek pārvērsta elektriskos signālos, kas raksturo starojuma relatīvo intensitāti. Tas ietver jonizācijas kameras, Geigera skaitītāju, proporcionālo skaitītāju, scintilācijas skaitītāju un dažus īpašus kadmija sulfīda un selenīda detektorus. Šobrīd par visefektīvākajiem detektoriem var uzskatīt scintilācijas skaitītājus, kas labi darbojas plašā enerģētikā.
Skatīt arī DAĻIŅU DETEKTORI. Detektors tiek izvēlēts, ņemot vērā problēmas apstākļus. Piemēram, ja nepieciešams precīzi izmērīt izkliedētā rentgena starojuma intensitāti, tad tiek izmantoti skaitītāji, kas ļauj veikt mērījumus ar procenta daļu precizitāti. Ja nepieciešams reģistrēt daudz difrakcijas staru, tad vēlams izmantot rentgena plēvi, lai gan šajā gadījumā intensitāti ar tādu pašu precizitāti noteikt nav iespējams.
RENTGENA UN GAMMA DEFEKTOKOPIJU
Viens no visizplatītākajiem rentgenstaru pielietojumiem rūpniecībā ir materiālu kvalitātes kontrole un nesagraujošā pārbaude. Rentgena metode ir nesagraujoša, tāpēc pārbaudāmo materiālu, ja tiek konstatēts, ka tas atbilst nepieciešamajām prasībām, pēc tam var izmantot kā paredzēts. Gan rentgena, gan gamma staru defektu noteikšana balstās uz rentgena starojuma caurlaidības spēju un tā absorbcijas īpašībām materiālos. Iespiešanos nosaka rentgena fotonu enerģija, kas ir atkarīga no paātrinājuma sprieguma rentgena caurulē. Tāpēc bieziem paraugiem un smago metālu, piemēram, zelta un urāna, paraugiem, lai tos pētītu, ir nepieciešams rentgenstaru avots ar lielāku spriegumu, bet plāniem paraugiem pietiek ar avotu ar zemāku spriegumu. Ļoti lielu lējumu un lielu velmētu izstrādājumu gamma staru defektu noteikšanai tiek izmantoti betatroni un lineārie paātrinātāji, kas paātrina daļiņas līdz enerģijām 25 MeV un vairāk. Rentgena starojuma absorbcija materiālā ir atkarīga no absorbētāja biezuma d un absorbcijas koeficienta m, un to nosaka pēc formulas I = I0e-md, kur I ir caur absorbētāju pārraidītā starojuma intensitāte, I0 ir krītošā starojuma intensitāte, un e = 2,718 ir naturālo logaritmu bāze. Noteiktam materiālam pie noteikta rentgena starojuma viļņa garuma (vai enerģijas) absorbcijas koeficients ir nemainīgs. Taču rentgenstaru avota starojums nav monohromatisks, bet satur plašu viļņu garumu spektru, kā rezultātā absorbcija pie vienāda absorbētāja biezuma ir atkarīga no starojuma viļņa garuma (frekvences). Rentgenstarus plaši izmanto visās metālu formēšanas nozarēs. To izmanto arī artilērijas stobru, pārtikas preču, plastmasas un sarežģītu ierīču un sistēmu pārbaudei elektroniskajā inženierijā. (Līdzīgiem mērķiem izmanto arī neitronu difrakciju, kurā rentgenstaru vietā izmanto neitronu starus.) Rentgena starus izmanto arī citiem uzdevumiem, piemēram, gleznu apskatei, lai noskaidrotu to autentiskumu vai atklātu papildu slāņus. krāsu virs galvenā slāņa.
RENTGENA STAROJUMA DIFRAKCIJA
Rentgenstaru difrakcija sniedz svarīgu informāciju par cietām vielām – to atomu struktūru un kristāla formu, kā arī par šķidrumiem, amorfiem ķermeņiem un lielām molekulām. Difrakcijas metodi izmanto arī precīzai (ar kļūdu mazāku par 10-5) starpatomu attālumu noteikšanai, spriegumu un defektu noteikšanai, monokristālu orientācijas noteikšanai. Difrakcijas modelis var identificēt nezināmus materiālus, kā arī noteikt piemaisījumu klātbūtni paraugā un noteikt tos. Rentgenstaru difrakcijas metodes nozīmi mūsdienu fizikas attīstībā diez vai var pārvērtēt, jo mūsdienu izpratne par vielas īpašībām galu galā balstās uz datiem par atomu izvietojumu dažādos ķīmiskos savienojumos, par saišu raksturu. starp tiem un uz strukturālajiem defektiem. Galvenais instruments šīs informācijas iegūšanai ir rentgenstaru difrakcijas metode. Rentgenstaru difrakcijas kristalogrāfija ir būtiska, lai noteiktu sarežģītu lielu molekulu, piemēram, dezoksiribonukleīnskābes (DNS), dzīvo organismu ģenētiskā materiāla, struktūras. Tūlīt pēc rentgenstaru atklāšanas zinātniskā un medicīniskā interese tika vērsta gan uz šī starojuma spēju iekļūt ķermeņos, gan uz tā dabu. Eksperimenti par rentgena starojuma difrakciju ar spraugām un difrakcijas režģiem parādīja, ka tas pieder pie elektromagnētiskā starojuma un tā viļņa garums ir 10-8-10-9 cm. Pat agrāk zinātnieki, jo īpaši V. Bārlovs, minēja ka dabisko kristālu pareizā un simetriskā forma ir saistīta ar kristālu veidojošo atomu sakārtoto izvietojumu. Dažos gadījumos Bārlovs spēja pareizi paredzēt kristāla struktūru. Prognozējamo starpatomu attālumu lielums bija 10–8 cm Fakts, ka starpatomu attālumi bija rentgena starojuma viļņa garuma kārtībā, principā ļāva novērot to difrakciju. Rezultātā radās ideja par vienu no svarīgākajiem eksperimentiem fizikas vēsturē. M. Laue organizēja šīs idejas eksperimentālu pārbaudi, ko veica viņa kolēģi V. Frīdrihs un P. Knipings. 1912. gadā viņi trīs publicēja savu darbu par rentgenstaru difrakcijas rezultātiem. Rentgenstaru difrakcijas principi. Lai saprastu rentgenstaru difrakcijas fenomenu, ir jāapsver secībā: pirmkārt, rentgenstaru spektrs, otrkārt, kristāla struktūras raksturs un, treškārt, pati difrakcijas parādība. Kā minēts iepriekš, raksturīgais rentgenstaru starojums sastāv no virknes spektra līniju ar augstu monohromatiskuma pakāpi, ko nosaka anoda materiāls. Izmantojot filtrus, varat izvēlēties intensīvākos. Līdz ar to, atbilstoši izvēloties anoda materiālu, ir iespējams iegūt gandrīz monohromatiska starojuma avotu ar ļoti precīzi noteiktu viļņa garuma vērtību. Raksturīgie starojuma viļņu garumi parasti svārstās no 2,285 hromam līdz 0,558 sudrabam (dažādu elementu vērtības ir zināmas ar sešiem zīmīgajiem cipariem). Raksturīgais spektrs tiek uzklāts uz nepārtrauktu "balto" spektru ar daudz zemāku intensitāti, pateicoties krītošo elektronu palēninājumam anodā. Tādējādi no katra anoda var iegūt divu veidu starojumu: raksturīgo un bremsstrahlung, no kuriem katram ir svarīga loma savā veidā. Kristāla struktūrā atomi ir sakārtoti ar pareizu periodiskumu, veidojot identisku šūnu secību - telpisku režģi. Daži režģi (piemēram, lielākajai daļai metālu) ir diezgan vienkārši, bet citi (piemēram, olbaltumvielu molekulām) ir diezgan sarežģīti. Kristāla struktūrai ir raksturīgs sekojošais: ja no vienas šūnas dotā punkta pāriet uz blakus esošās šūnas attiecīgo punktu, tad tiks atrasta tieši tāda pati atomu vide. Un, ja kāds atoms atrodas vienā vai otrā vienas šūnas punktā, tad tas pats atoms atradīsies jebkuras blakus esošās šūnas līdzvērtīgā punktā. Šis princips stingri attiecas uz perfektu, perfekti sakārtotu kristālu. Tomēr daudzi kristāli (piemēram, metāla cietie šķīdumi) ir vienā vai otrā pakāpē nesakārtoti, t.i. kristalogrāfiski līdzvērtīgas vietas var aizņemt dažādi atomi. Šajos gadījumos tiek noteikta nevis katra atoma pozīcija, bet gan tikai atoma pozīcija, kas "statistiski aprēķināta vidēji" lielam daļiņu (vai šūnu) skaitam. Difrakcijas parādība ir aplūkota OPTIKA rakstā, un lasītājs var atsaukties uz šo rakstu, pirms turpināt. Tas parāda, ka, ja viļņi (piemēram, skaņa, gaisma, rentgena starojums) iziet cauri nelielai spraugai vai caurumam, tad pēdējo var uzskatīt par sekundāru viļņu avotu, un spraugas vai cauruma attēls sastāv no mainīgiem gaišas un tumšas svītras. Turklāt, ja ir periodiska caurumu vai spraugu struktūra, tad no dažādiem caurumiem nākošo staru pastiprinošās un vājinošās interferences rezultātā rodas skaidrs difrakcijas modelis. Rentgenstaru difrakcija ir kolektīva izkliedes parādība, kurā caurumu un izkliedes centru lomu spēlē periodiski izvietoti kristāla struktūras atomi. To attēlu savstarpēja uzlabošana noteiktos leņķos rada difrakcijas modeli, kas ir līdzīgs tam, kas rodas gaismas difrakcijā uz trīsdimensiju difrakcijas režģa. Izkliede rodas krītošā rentgena starojuma mijiedarbības dēļ ar kristālā esošajiem elektroniem. Sakarā ar to, ka rentgena starojuma viļņa garums ir vienāds ar atoma izmēriem, izkliedētā rentgena starojuma viļņa garums ir tāds pats kā krītošajam. Šis process ir elektronu piespiedu svārstību rezultāts krītoša rentgena starojuma ietekmē. Apsveriet tagad atomu ar saistītu elektronu mākoni (ap kodolu), uz kura krīt rentgena stari. Elektroni visos virzienos vienlaikus izkliedē incidentu un izstaro savus rentgena starus ar vienādu viļņa garumu, lai gan ar dažādu intensitāti. Izkliedētā starojuma intensitāte ir saistīta ar elementa atomskaitli, kopš atomskaitlis ir vienāds ar orbitālo elektronu skaitu, kas var piedalīties izkliedē. (Šo intensitātes atkarību no izkliedes elementa atomu skaita un virziena, kurā intensitāte tiek mērīta, raksturo atomu izkliedes koeficients, kam ir ārkārtīgi svarīga loma kristālu struktūras analīzē.) izvēlieties kristāla struktūrā lineāru atomu ķēdi, kas atrodas vienādā attālumā viens no otra, un ņemiet vērā to difrakcijas modeli. Jau tika atzīmēts, ka rentgenstaru spektrs sastāv no nepārtrauktas daļas ("kontinuums") un intensīvāku līniju kopas, kas raksturīga elementam, kas ir anoda materiāls. Pieņemsim, ka mēs izfiltrējām nepārtraukto spektru un ieguvām gandrīz monohromatisku rentgenstaru, kas vērsts uz mūsu lineāro atomu ķēdi. Pastiprināšanas (pastiprinošo traucējumu) nosacījums ir izpildīts, ja kaimiņu atomu izkliedēto viļņu ceļu atšķirība ir viļņa garuma daudzkārtņa. Ja stars krīt leņķī a0 uz atomu līniju, kas atdalīta ar intervāliem a (periods), tad difrakcijas leņķim a pastiprinājumam atbilstošo ceļa starpību raksta kā a (cos a - cosa0) = hl, kur l ir viļņa garums, un h ir vesels skaitlis (4. un 5. attēls).
Lai šo pieeju attiecinātu uz trīsdimensiju kristālu, ir nepieciešams tikai atlasīt atomu rindas divos citos kristāla virzienos un atrisināt trīs vienādojumus, kas iegūti šādā veidā trīs kristāla asīm ar periodiem a, b un c. Pārējie divi vienādojumi ir
Šie ir trīs pamata Laue vienādojumi rentgenstaru difrakcijai, kur skaitļi h, k un c ir Millera indeksi difrakcijas plaknei.
Skatīt arī KRISTĀLI UN KRISTALOGRĀFIJA. Ņemot vērā jebkuru Laue vienādojumu, piemēram, pirmo, var pamanīt, ka, tā kā a, a0, l ir konstantes un h = 0, 1, 2, ..., tā atrisinājumu var attēlot kā konusu kopu ar kopēja ass a (5. att.). Tas pats attiecas uz virzieniem b un c. Vispārējā trīsdimensiju izkliedes (difrakcijas) gadījumā trim Laue vienādojumiem ir jābūt vispārīgam atrisinājumam, t.i. jākrustojas trim difrakcijas konusiem, kas atrodas uz katras ass; vispārējā krustojuma līnija ir parādīta att. 6. Vienādojumu kopīgs risinājums noved pie Brega-Vulfa likuma:
l = 2 (d / n) sinq, kur d ir attālums starp plaknēm ar indeksiem h, k un c (periods), n = 1, 2, ... ir veseli skaitļi (difrakcijas secība), un q ir leņķis veido krītošais stars (kā arī difrakcija) ar kristāla plakni, kurā notiek difrakcija. Analizējot Brega-Vulfa likuma vienādojumu monokristālam, kas atrodas monohromatiskā rentgena stara ceļā, varam secināt, ka difrakciju nav viegli novērot, jo lielumi l un q ir fiksēti, un sinq DIFRAKCIJAS ANALĪZES METODES
Laue metode. Laue metode izmanto nepārtrauktu "balto" rentgenstaru spektru, kas tiek novirzīts uz stacionāru monokristālu. Konkrētai perioda d vērtībai viļņa garuma vērtība, kas atbilst Braga-Vulfa nosacījumam, tiek automātiski atlasīta no visa spektra. Šādi iegūtie Laue raksti ļauj spriest par izkliedēto staru virzieniem un līdz ar to arī par kristāla plakņu orientācijām, kas arī ļauj izdarīt svarīgus secinājumus par kristāla simetriju, orientāciju un klātbūtni. defektiem tajā. Tomēr šajā gadījumā tiek zaudēta informācija par telpisko periodu d. attēlā. 7 ir Lauegram piemērs. Rentgena plēve atradās tajā kristāla pusē, kas ir pretēja tai, uz kuras nāca rentgena stars no avota.
Debye - Scherrer metode (polikristāliskiem paraugiem). Atšķirībā no iepriekšējās metodes šeit tiek izmantots monohromatiskais starojums (l = const), un leņķis q tiek mainīts. Tas tiek panākts, izmantojot polikristālisku paraugu, kas sastāv no daudziem maziem nejaušas orientācijas kristalītiem, starp kuriem ir tādi, kas apmierina Braga-Vulfa nosacījumu. Izkliedētie stari veido konusus, kuru ass ir vērsta gar rentgena staru. Fotografēšanai parasti izmanto šauru rentgena plēves sloksni cilindriskā kasetē, un rentgena stari tiek izplatīti diametrā caur plēves atverēm. Šādā veidā iegūtā Debjegramma (8. att.) satur precīzu informāciju par periodu d, tas ir, par kristāla uzbūvi, bet nedod to informāciju, ko satur Lauegram. Tāpēc abas metodes viena otru papildina. Apskatīsim dažus Debye - Scherrer metodes pielietojumus.
Ķīmisko elementu un savienojumu identifikācija. No Debjegrammas noteiktā leņķa q var aprēķināt noteiktam elementam vai savienojumam raksturīgo starpplakņu attālumu d. Šobrīd ir sastādītas daudzas d vērtību tabulas, kas ļauj identificēt ne tikai vienu vai otru ķīmisko elementu vai savienojumu, bet arī dažādus vienas un tās pašas vielas fāzes stāvokļus, kas ne vienmēr sniedz ķīmisko analīzi. Otrā komponenta saturu aizvietojošajos sakausējumos var arī noteikt ar augstu precizitāti no perioda d atkarības no koncentrācijas.
Stresa analīze. No izmērītās starpplakņu attālumu starpības dažādiem virzieniem kristālos, zinot materiāla elastības moduli, var ar augstu precizitāti aprēķināt tajā esošos mazos spriegumus.
Vēlamās orientācijas pētījumi kristālos. Ja mazie kristalīti polikristāliskā paraugā nav pilnībā nejauši orientēti, tad Debjegrammas gredzeniem būs atšķirīga intensitāte. Strauji izteiktas dominējošās orientācijas klātbūtnē intensitātes maksimumi tiek koncentrēti atsevišķos attēla punktos, kas kļūst līdzīgi viena kristāla attēlam. Piemēram, dziļās aukstās velmēšanas laikā metāla loksne iegūst tekstūru - izteiktu kristalītu orientāciju. Debjegrammu var izmantot, lai spriestu par materiāla aukstās apstrādes raksturu.
Graudu izmēru izpēte. Ja polikristāla graudu izmērs ir lielāks par 10-3 cm, tad līnijas uz Debjegrammas sastāvēs no atsevišķiem plankumiem, jo šajā gadījumā kristalītu skaits nav pietiekams, lai aptvertu visu leņķu q vērtību diapazonu. . Ja kristalīta izmērs ir mazāks par 10-5 cm, tad difrakcijas līnijas kļūst platākas. To platums ir apgriezti proporcionāls kristalītu lielumam. Paplašināšanās notiek tā paša iemesla dēļ, ka, samazinoties spraugu skaitam, samazinās difrakcijas režģa izšķirtspēja. Rentgena starojums ļauj noteikt graudu izmērus 10-7-10-6 cm robežās.
Metodes monokristāliem. Lai difrakcija ar kristālu sniegtu informāciju ne tikai par telpisko periodu, bet arī par katras difrakcijas plakņu kopas orientāciju, tiek izmantotas rotējoša monokristāla metodes. Uz kristāla krīt monohromatisks rentgena stars. Kristāls griežas ap galveno asi, kurai ir izpildīti Laue vienādojumi. Šajā gadījumā Braga-Vulfa formulā iekļautais leņķis q mainās. Difrakcijas maksimumi atrodas Laue difrakcijas konusu krustpunktā ar plēves cilindrisko virsmu (9. att.). Rezultāts ir tāda veida difrakcijas modelis, kāds parādīts attēlā. 10. Tomēr sarežģījumi ir iespējami dažādu difrakcijas secību pārklāšanās dēļ vienā punktā. Metodi var būtiski uzlabot, ja vienlaikus ar kristāla rotāciju noteiktā veidā tiek pārvietota arī plēve.
Šķidrumu un gāzu pētījumi. Ir zināms, ka šķidrumiem, gāzēm un amorfiem ķermeņiem nav pareizas kristāla struktūras. Bet pat šeit molekulās pastāv ķīmiska saite starp atomiem, kuras dēļ attālums starp tiem paliek gandrīz nemainīgs, lai gan pašas molekulas telpā ir orientētas nejauši. Šādi materiāli dod arī difrakcijas modeli ar salīdzinoši nelielu difūzo maksimumu skaitu. Šāda attēla apstrāde ar modernām metodēm ļauj iegūt informāciju par pat šādu nekristālisku materiālu struktūru.
SPEKTROĶĪMISKĀ X-STARU ANALĪZE
Jau dažus gadus pēc rentgenstaru atklāšanas Čārlzs Bārklijs (1877-1944) atklāja, ka, pakļaujot vielu lielas enerģijas rentgena starojuma plūsmai, rodas sekundārais fluorescējošais rentgena starojums, kas ir raksturīgs. pētāmā elementa. Drīz pēc tam G. Mozelijs vairākos savos eksperimentos izmērīja primārā raksturīgā rentgena starojuma viļņu garumus, ko saņem dažādu elementu elektronu bombardēšana, un atvasināja sakarību starp viļņa garumu un atomskaitli. Šie eksperimenti, kā arī Brega izgudrojums par rentgenstaru spektrometru, lika pamatu spektroķīmiskai rentgenstaru analīzei. Tūlīt tika atzītas rentgenstaru iespējas ķīmiskai analīzei. Spektrogrāfi tika izveidoti ar reģistrāciju uz fotoplates, kurā pētāmais paraugs kalpoja kā rentgenstaru caurules anods. Diemžēl šī metode izrādījās ļoti darbietilpīga, un tāpēc tika izmantota tikai tad, ja parastās ķīmiskās analīzes metodes nebija izmantojamas. Izcils inovatīvu pētījumu piemērs analītiskās rentgenstaru spektroskopijas jomā bija G. Hevesija un D. Kostera jauna elementa - hafnija - atklājums 1923. gadā. Lieljaudas rentgenstaru lampu attīstība radiogrāfijai un jutīgi detektori radioķīmiskiem mērījumiem Otrā pasaules kara laikā lielā mērā bija atbildīga par straujo rentgena spektrogrāfijas izaugsmi nākamajos gados. Šī metode ir kļuvusi plaši izplatīta, pateicoties analīzes ātrumam, ērtībai, nesagraujošajam raksturam un pilnīgas vai daļējas automatizācijas iespējai. To var izmantot visu elementu, kuru atomu skaits ir lielāks par 11 (nātrijs), kvantitatīvās un kvalitatīvās analīzes problēmās. Lai gan rentgenstaru spektroķīmisko analīzi parasti izmanto, lai noteiktu svarīgākās sastāvdaļas paraugā (0,1-100%), dažos gadījumos tā ir piemērota 0,005% un pat zemākām koncentrācijām.
Rentgena spektrometrs. Mūsdienu rentgena spektrometrs sastāv no trim galvenajām sistēmām (11. att.): ierosmes sistēmas, t.i. rentgenstaru caurule ar volframa vai cita ugunsizturīga materiāla anodu un barošanas bloku; analīzes sistēmas, t.i. analizatora kristāls ar diviem vairāku spraugu kolimatoriem, kā arī spektrogoniometrs precīzai izlīdzināšanai; un ierakstīšanas sistēmas ar Geigera skaitītāju vai proporcionālo vai scintilācijas skaitītāju, kā arī taisngriezi, pastiprinātāju, skaitītājus un ierakstītāju vai citu ierakstīšanas ierīci.
Rentgenstaru fluorescences analīze. Analizējamais paraugs atrodas aizraujošā rentgena starojuma ceļā. Pārbaudāmā parauga laukumu parasti atšķir ar masku ar vajadzīgā diametra caurumu, un starojums iet caur kolimatoru, kas veido paralēlu staru. Aiz analizatora kristāla spraugas kolimators atbrīvo detektoram izkliedētu starojumu. Parasti maksimālais leņķis q ir ierobežots līdz vērtībām 80-85 °, lai tikai rentgena starojums, kura viļņa garums l ir saistīts ar starpplakņu attālumu d ar nevienlīdzību l Rentgenstaru mikroanalīze. Iepriekš aprakstīto plakano kristālu analizatora spektrometru var pielāgot mikroanalīzei. To panāk, sašaurinot primāro rentgena staru kūli vai sekundāro staru kūli, ko izstaro no parauga. Tomēr parauga efektīvā izmēra vai starojuma apertūras samazināšanās noved pie reģistrētā difrakcijas starojuma intensitātes samazināšanās. Šīs metodes uzlabojumus var panākt, izmantojot liektu kristālu spektrometru, kas ļauj reģistrēt atšķirīgā starojuma konusu, nevis tikai starojumu, kas ir paralēls kolimatora asij. Ar šādu spektrometru var identificēt daļiņas, kas ir mazākas par 25 µm. Vēl lielāks analizējamā parauga lieluma samazinājums panākts R. Kastēna izgudrotajā elektronzondes rentgenstaru mikroanalizatorā. Šeit paraugam raksturīgo rentgena starojumu ierosina asi fokusēts elektronu stars, ko pēc tam analizē ar saliektu kristāla spektrometru. Izmantojot šādu ierīci, paraugā ar diametru 1 μm ir iespējams noteikt vielas daudzumu 10-14 g. Tika izstrādātas arī instalācijas ar parauga elektronstaru skenēšanu, ar kuru palīdzību iespējams iegūt divdimensiju priekšstatu par sadalījumu pa elementa paraugu, kura raksturīgajam starojumam ir noregulēts spektrometrs.
MEDICĪNISKĀ X-STARU DIAGNOSTIKA
Rentgenstaru izpētes tehnoloģiju attīstība ļāvusi būtiski samazināt ekspozīcijas laiku un uzlabot attēlu kvalitāti, ļaujot pētīt pat mīkstos audus.
Fluorogrāfija.Šī diagnostikas metode sastāv no ēnu attēla fotografēšanas no caurspīdīga ekrāna. Pacients atrodas starp rentgena avotu un plakanu ekrānu, kas izgatavots no fosfora (parasti cēzija jodīda), kas spīd, pakļaujoties rentgena starojumam. Dažādas blīvuma pakāpes bioloģiskie audi rada rentgenstaru ēnas ar dažādu intensitātes pakāpi. Radiologs pārbauda ēnu attēlu uz fluorescējošā ekrāna un veic diagnozi. Agrāk radiologs paļāvās uz redzi, lai analizētu attēlus. Tagad ir dažādas sistēmas, kas pastiprina attēlu, parāda to televizora ekrānā vai ieraksta datus datora atmiņā.
Radiogrāfija. Rentgena attēla ierakstīšanu tieši uz fotofilmas sauc par radiogrāfiju. Šajā gadījumā izmeklētais orgāns atrodas starp rentgena avotu un fotofilmu, kas fiksē informāciju par orgāna stāvokli noteiktā laika momentā. Atkārtota rentgenogrāfija ļauj spriest par tā tālāko attīstību. Rentgenogrāfija ļauj ļoti precīzi pārbaudīt kaulu audu integritāti, kas galvenokārt sastāv no kalcija un ir necaurredzami rentgena starojumam, kā arī muskuļu audu plīsumu. Ar tā palīdzību, labāk nekā stetoskops vai klausīšanās, tiek analizēts plaušu stāvoklis iekaisuma, tuberkulozes vai šķidruma klātbūtnes gadījumā. Ar rentgenogrāfijas palīdzību tiek noteikts sirds izmērs un forma, kā arī tās izmaiņu dinamika pacientiem ar sirds slimībām.
Kontrastvielas. Rentgena starojumam caurspīdīgas ķermeņa daļas un atsevišķu orgānu dobumi kļūst redzami, ja tie ir piepildīti ar organismam nekaitīgu kontrastvielu, bet ļauj vizualizēt iekšējo orgānu formu un pārbaudīt to darbību. Pacients vai nu lieto iekšķīgi kontrastvielas (piemēram, bārija sāļus, izmeklējot kuņģa-zarnu traktu), vai arī tās injicē intravenozi (piemēram, jodu saturošus šķīdumus, izmeklējot nieres un urīnceļus). Tomēr pēdējos gados šīs metodes ir aizstātas ar diagnostikas metodēm, kuru pamatā ir radioaktīvo atomu un ultraskaņas izmantošana.
Datortomogrāfija. 70. gados tika izstrādāta jauna rentgendiagnostikas metode, kuras pamatā ir pilnīga ķermeņa vai tā daļu apsekošana. Plānu slāņu ("slāņu") attēlus apstrādā dators, un gala attēls tiek parādīts monitora ekrānā. Šo metodi sauc par datortomogrāfiju. To plaši izmanto mūsdienu medicīnā, lai diagnosticētu infiltrātus, audzējus un citus smadzeņu darbības traucējumus, kā arī lai diagnosticētu mīksto audu slimības ķermeņa iekšienē. Šis paņēmiens neprasa svešu kontrastvielu ievadīšanu, tāpēc tas ir ātrāks un efektīvāks nekā tradicionālās metodes.
RENTGENA STAROJUMA BIOLOĢISKĀ IETEKME
Rentgena kaitīgo bioloģisko efektu atklāja neilgi pēc tam, kad to atklāja Rentgens. Izrādījās, ka jaunais starojums var izraisīt tādu kā smagu saules apdegumu (eritēmu), ko pavada tomēr dziļāki un noturīgāki ādas bojājumi. Parādītās čūlas bieži pārvērtās par vēzi. Daudzos gadījumos nācās amputēt pirkstus vai rokas. Bija arī nāves gadījumi. Ir konstatēts, ka ādas bojājumus var izvairīties, samazinot starojuma laiku un devu, izmantojot ekranējumu (piemēram, svinu) un tālvadības pultis. Bet pakāpeniski atklājās citi, ilgāki rentgenstaru iedarbības efekti, kas pēc tam tika apstiprināti un pētīti ar izmēģinājuma dzīvniekiem. Rentgenstaru, kā arī cita jonizējošā starojuma (piemēram, radioaktīvo materiālu izstarotā gamma starojuma) iedarbības rezultātā ietilpst: 1) īslaicīgas izmaiņas asins sastāvā pēc salīdzinoši nelielas pārmērīgas iedarbības; 2) neatgriezeniskas izmaiņas asins sastāvā (hemolītiskā anēmija) pēc ilgstošas pārmērīgas iedarbības; 3) saslimstības ar vēzi (tai skaitā leikēmijas) pieaugums; 4) ātrāka novecošanās un priekšlaicīga nāve; 5) kataraktas rašanās. Turklāt bioloģiskie eksperimenti ar pelēm, trušiem un mušām (augļu mušām) ir parādījuši, ka pat nelielas lielu populāciju sistemātiskas apstarošanas devas mutāciju ātruma palielināšanās dēļ izraisa kaitīgu ģenētisku ietekmi. Lielākā daļa ģenētiķu atzīst šo datu piemērojamību cilvēka ķermenim. Runājot par rentgena starojuma bioloģisko ietekmi uz cilvēka ķermeni, to nosaka starojuma devas līmenis, kā arī tas, kurš ķermeņa orgāns tika pakļauts starojumam. Piemēram, asins slimības rodas, apstarojot asinsrades orgānus, galvenokārt kaulu smadzenes, un ģenētiskās sekas izraisa dzimumorgānu apstarošana, kas var izraisīt arī sterilitāti. Zināšanu uzkrāšanās par rentgena starojuma ietekmi uz cilvēka organismu ir novedusi pie nacionālo un starptautisko pieļaujamo starojuma devu standartu izstrādes, kas publicēti dažādās uzziņas publikācijās. Papildus rentgena starojumam, ko mērķtiecīgi izmanto cilvēki, pastāv arī tā sauktais izkliedētais, neīstais starojums, kas rodas dažādu iemeslu dēļ, piemēram, izkliedes dēļ svina aizsargvairoga nepilnības dēļ, kas nav pilnībā absorbē šo starojumu. Turklāt daudzas elektriskās ierīces, kas nav paredzētas rentgenstaru radīšanai, tomēr rada to kā blakusproduktu. Šādas ierīces ietver elektronu mikroskopus, augstsprieguma taisngriežu lampas (kenotronus), kā arī novecojušo krāsu televizoru attēla lampas. Mūsdienu krāsaino attēla lampu ražošana daudzās valstīs tagad ir valdības kontrolē.
RENTGENA STAROJUMA BĪSTAMI FAKTORI
Rentgena starojuma iedarbības veidi un bīstamības pakāpe cilvēkiem ir atkarīga no starojumam pakļauto personu kontingenta.
Profesionāļi, kas strādā ar rentgena iekārtu.Šajā kategorijā ietilpst radiologi, zobārsti, kā arī zinātniskie un tehniskie darbinieki un personāls, kas apkalpo un izmanto rentgena iekārtas. Tiek veikti efektīvi pasākumi, lai samazinātu tām pakļautā radiācijas līmeni.
Pacienti.Šeit nav stingru kritēriju, un drošu starojuma līmeni, ko pacienti saņem ārstēšanas laikā, nosaka ārstējošie ārsti. Ārstiem nav ieteicams pacientus nevajadzīgi pakļaut rentgena stariem. Īpaša piesardzība jāievēro, izmeklējot grūtnieces un bērnus. Šajā gadījumā tiek veikti īpaši pasākumi.
Kontroles metodes. Tam ir trīs aspekti:
1) atbilstoša aprīkojuma pieejamība, 2) drošības noteikumu ievērošanas uzraudzība, 3) pareiza aprīkojuma lietošana. Rentgena izmeklējumos starojuma iedarbībai jāpakļauj tikai vēlamajai zonai gan zobu, gan plaušu izmeklējumiem. Ņemiet vērā, ka uzreiz pēc rentgena aparāta izslēgšanas pazūd gan primārais, gan sekundārais starojums; nav arī atlikušā starojuma, ko ne vienmēr zina pat tie, kuri savā darbā ir tieši saistīti ar to.
Skatīt arī
ATOMA ĒKA;
Rentgenstarus 1895. gadā nejauši atklāja slavenais vācu fiziķis Vilhelms Rentgens. Viņš pētīja katoda starus zema spiediena gāzizlādes caurulē ar augstu spriegumu starp tās elektrodiem. Neskatoties uz to, ka caurule atradās melnā kastē, Rentgens pamanīja, ka fluorescējošais ekrāns, kas nejauši atradās tuvumā, mirdzēja ikreiz, kad caurule darbojās. Caurule izrādījās starojuma avots, kas spēj iekļūt papīrā, kokā, stiklā un pat pusotru centimetru biezā alumīnija plāksnē.
Rentgens noteica, ka gāzizlādes caurule ir jauna veida neredzama starojuma avots ar lielu caurlaidības spēku. Zinātnieks nevarēja noteikt, vai šis starojums ir daļiņu vai viļņu straume, un nolēma to nosaukt par rentgena stariem. Pēc tam tos sauca par rentgena stariem.
Tagad ir zināms, ka rentgenstari ir elektromagnētiskā starojuma veids, kam ir īsāks viļņa garums nekā ultravioletajiem elektromagnētiskajiem viļņiem. Rentgena viļņa garums svārstās no 70 nm līdz 10-5 nm... Jo īsāks ir rentgenstaru viļņa garums, jo lielāka ir to fotonu enerģija un lielāka iespiešanās spēja. Rentgenstari ar salīdzinoši lielu viļņa garumu (vairāk nekā 10 nm) tiek saukti mīksts... Viļņa garums 1-10 nm raksturo grūts rentgenstari. Viņiem ir milzīgs caurlaidības spēks.
Rentgenstaru saņemšana
Rentgenstari rodas, kad ātri elektroni jeb katoda stari saduras ar zema spiediena gāzizlādes caurules sienām vai anodu. Mūsdienīga rentgena caurule ir evakuēts stikla cilindrs ar katodu un anodu, kas atrodas tajā. Potenciālā starpība starp katodu un anodu (antikatods) sasniedz vairākus simtus kilovoltu. Katods ir volframa kvēldiegs, ko silda ar elektrisko strāvu. Tas izraisa elektronu emisiju no katoda termiskās emisijas rezultātā. Elektronus paātrina elektriskais lauks rentgena lampā. Tā kā mēģenē ir ļoti maz gāzes molekulu, elektroni praktiski nezaudē savu enerģiju ceļā uz anodu. Viņi sasniedz anodu ar ļoti lielu ātrumu.
Rentgenstari tiek ģenerēti ikreiz, kad anoda materiāls palēnina elektronu kustību, kas pārvietojas lielā ātrumā. Lielākā daļa elektronu enerģijas tiek izkliedēta siltuma veidā. Tāpēc anods ir mākslīgi jāatdzesē. Rentgena caurulē esošajam anodam jābūt izgatavotam no metāla ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, no volframa.
Daļa enerģijas, kas neizkliedējas siltuma veidā, tiek pārvērsta elektromagnētisko viļņu (rentgenstaru) enerģijā. Tādējādi rentgenstari ir anoda materiāla elektronu bombardēšanas rezultāts. Ir divu veidu rentgenstari: bremsstrahlung un raksturīgie.
Bremzēšanas rentgens
Bremsstrahlung rentgena starojums rodas, kad elektronus, kas pārvietojas lielā ātrumā, palēnina anoda atomu elektriskie lauki. Atsevišķu elektronu palēninājuma nosacījumi nav vienādi. Rezultātā dažādas to kinētiskās enerģijas daļas tiek pārnestas uz rentgena starojuma enerģiju.
Bremsstrahlung rentgenstaru spektrs nav atkarīgs no anoda vielas īpašībām. Kā zināms, rentgena fotonu enerģija nosaka to frekvenci un viļņa garumu. Tāpēc rentgena starojums nav vienkrāsains. To raksturo dažādi viļņu garumi, kurus var attēlot nepārtraukts (nepārtraukts) spektrs.
Rentgenstaru enerģija nevar būt lielāka par to elektronu kinētisko enerģiju, kas tos veido. Īsākais rentgena viļņa garums atbilst palēnināto elektronu maksimālajai kinētiskajai enerģijai. Jo lielāka ir potenciālu atšķirība rentgenstaru caurulē, jo īsākus rentgena viļņu garumus var iegūt.
Raksturīgs rentgens
Raksturīgais rentgena starojums nav nepārtraukts, bet gan līniju spektrs... Šāda veida starojums rodas, kad ātrs elektrons, sasniedzot anodu, iekļūst atomu iekšējās orbitālēs un izsit vienu no to elektroniem. Rezultāts ir brīva telpa, kuru var aizpildīt ar citu elektronu, kas nolaižas no vienas no augšējām atomu orbitālēm. Šī elektrona pāreja no augstāka uz zemāku enerģijas līmeni izraisa rentgenstaru izstarošanos noteiktā diskrētā viļņa garumā. Tāpēc raksturīgais rentgena starojums ir līniju spektrs... Raksturīgo starojuma līniju frekvence pilnībā ir atkarīga no anoda atomu elektronu orbitāļu struktūras.
Dažādu ķīmisko elementu raksturīgā starojuma spektrālajām līnijām ir vienāda forma, jo to iekšējās elektroniskās orbitāles struktūra ir identiska. Bet to viļņa garums un frekvence ir saistīta ar enerģētiskajām atšķirībām starp smago un vieglo atomu iekšējām orbitālēm.
Līniju frekvence raksturīgā rentgena starojuma spektrā mainās atbilstoši metāla atomu skaitam un tiek noteikta ar Moseley vienādojumu: v 1/2 = A(Z-B), kur Z- ķīmiskā elementa atomu skaits, A un B- konstantes.
Rentgena starojuma un matērijas mijiedarbības primārie fizikālie mehānismi
Rentgenstaru un vielas primārajai mijiedarbībai ir raksturīgi trīs mehānismi:
1. Sakarīga izkliede... Šī mijiedarbības forma rodas, ja rentgena fotoniem ir mazāka enerģija nekā elektronu saistīšanās enerģija ar atoma kodolu. Šajā gadījumā fotona enerģija izrādās nepietiekama elektronu atbrīvošanai no vielas atomiem. Fotons netiek absorbēts atomā, bet maina izplatīšanās virzienu. Šajā gadījumā rentgena starojuma viļņa garums paliek nemainīgs.
2. Fotoelektriskais efekts (fotoelektriskais efekts)... Kad rentgena fotons sasniedz vielas atomu, tas var izsist vienu no elektroniem. Tas notiek, ja fotona enerģija pārsniedz elektrona saistīšanās enerģiju ar kodolu. Šajā gadījumā fotons tiek absorbēts, un elektrons tiek atbrīvots no atoma. Ja fotons nes vairāk enerģijas, nekā nepieciešams elektrona atbrīvošanai, atlikušo enerģiju tas nodos atbrīvotajam elektronam kinētiskās enerģijas veidā. Šī parādība, ko sauc par fotoelektrisko efektu, rodas, ja tiek absorbēti relatīvi zemas enerģijas rentgena stari.
Atoms, kas zaudē vienu no saviem elektroniem, kļūst par pozitīvu jonu. Brīvo elektronu kalpošanas laiks ir ļoti īss. Tos absorbē neitrālie atomi, kas pārvēršas negatīvos jonos. Fotoelektriskā efekta rezultāts ir intensīva vielas jonizācija.
Ja rentgena fotona enerģija ir mazāka par atomu jonizācijas enerģiju, tad atomi pāriet ierosinātā stāvoklī, bet netiek jonizēti.
3. Nesakarīga izkliede (Compton efekts)... Šo efektu atklāja amerikāņu fiziķis Komptons. Tas rodas, ja viela absorbē īsa viļņa garuma rentgena starus. Šādu rentgenstaru fotonu enerģija vienmēr ir lielāka par vielas atomu jonizācijas enerģiju. Komptona efekts ir augstas enerģijas rentgena fotona mijiedarbības rezultāts ar vienu no elektroniem atoma ārējā apvalkā, kuram ir salīdzinoši vāja saite ar atoma kodolu.
Augstas enerģijas fotons daļu savas enerģijas nodod elektronam. No atoma tiek atbrīvots satraukts elektrons. Pārējā sākotnējā fotona enerģija tiek izstarota rentgena fotona formā ar garāku viļņa garumu noteiktā leņķī pret primārā fotona kustības virzienu. Sekundārais fotons var jonizēt citu atomu utt. Šīs rentgenstaru virziena un viļņa garuma izmaiņas ir pazīstamas kā Komptona efekts.
Dažas rentgenstaru mijiedarbības sekas ar vielu
Kā minēts iepriekš, rentgena stari spēj satraukt vielas atomus un molekulas. Tas var izraisīt noteiktu vielu (piemēram, cinka sulfāta) fluorescēšanu. Ja paralēls rentgena staru kūlis ir vērsts uz necaurspīdīgiem objektiem, varat novērot, kā stari izies caur objektu, novietojot ekrānu, kas pārklāts ar fluorescējošu vielu.
Fluorescējošo ekrānu var aizstāt ar fotofilmu. Rentgenstariem ir tāda pati ietekme uz fotogrāfisko emulsiju kā gaismai. Abas metodes tiek izmantotas praktiskajā medicīnā.
Vēl viena svarīga rentgenstaru ietekme ir to jonizējošā spēja. Tas ir atkarīgs no to viļņa garuma un enerģijas. Šis efekts nodrošina rentgenstaru intensitātes mērīšanas metodi. Rentgena stariem izejot cauri jonizācijas kamerai, rodas elektriskā strāva, kuras stiprums ir proporcionāls rentgena starojuma intensitātei.
Rentgenstaru absorbcija ar vielu
Rentgena stariem izejot cauri matērijai, to enerģija samazinās absorbcijas un izkliedes dēļ. Paralēlā rentgenstaru staru kūļa intensitātes pavājināšanās, kas iet caur vielu, tiek noteikta ar Būvē likumu: I = I0 e -μd, kur es 0- rentgena starojuma sākotnējā intensitāte; es- caur vielas slāni izieto rentgena staru intensitāte, d - absorbējošā slāņa biezums , μ ir lineārais vājinājuma koeficients. Tas ir vienāds ar divu lielumu summu: t- lineārās absorbcijas koeficients un σ - lineārās izkliedes koeficients: μ = τ+ σ
Eksperimentos tika konstatēts, ka lineārās absorbcijas koeficients ir atkarīgs no vielas atomu skaita un rentgenstaru viļņa garuma:
τ = kρZ 3 λ 3, kur k- tiešās proporcionalitātes koeficients, ρ - vielas blīvums, Z- elementa atomu skaits, λ ir rentgenstaru viļņa garums.
Atkarība no Z ir ļoti svarīga no praktiskā viedokļa. Piemēram, kauliem, kas sastāv no kalcija fosfāta, absorbcijas koeficients ir gandrīz 150 reizes lielāks nekā mīksto audu absorbcijas koeficients. Z= 20 kalcijam un Z= 15 fosforam). Kad rentgena stari iziet cauri cilvēka ķermenim, kauli skaidri izceļas uz muskuļu, saistaudu u.c. fona.
Ir zināms, ka gremošanas orgāniem ir tāds pats absorbcijas koeficients kā citiem mīkstajiem audiem. Bet barības vada, kuņģa un zarnu ēnu var atšķirt, ja pacients iekšā lieto kontrastvielu - bārija sulfātu ( Z = 56 bārijam). Bārija sulfāts ir ļoti necaurspīdīgs rentgena stariem, un to bieži izmanto kuņģa-zarnu trakta rentgena stariem. Dažus necaurspīdīgus maisījumus ievada asinsritē, lai pārbaudītu asinsvadu, nieru un tamlīdzīgu stāvokli. Šajā gadījumā kā kontrastvielu izmanto jodu, kura atomu skaits ir 53.
Rentgenstaru absorbcija pret Z izmanto arī, lai aizsargātu pret iespējamo rentgenstaru kaitīgo ietekmi. Šim nolūkam tiek izmantots svins, vērtība Z par kuru ir 82.
Rentgena starojuma pielietojums medicīnā
Iemesls rentgenstaru izmantošanai diagnostikā bija to augstā iespiešanās spēja, viena no galvenajām Rentgenstaru īpašības... Pirmajās dienās pēc tās atklāšanas rentgena starus galvenokārt izmantoja, lai pārbaudītu kaulu lūzumus un atrastu svešķermeņus (piemēram, lodes) cilvēka ķermenī. Pašlaik tiek izmantotas vairākas diagnostikas metodes, izmantojot rentgena starus (rentgena diagnostika).
Fluoroskopija ... Rentgena ierīce sastāv no rentgenstaru avota (rentgenstaru lampas) un dienasgaismas ekrāna. Pēc tam, kad rentgena stari iziet cauri pacienta ķermenim, ārsts novēro viņa ēnu attēlu. Starp ekrānu un ārsta acīm jāuzstāda svina logs, lai pasargātu ārstu no rentgenstaru kaitīgās ietekmes. Šī metode ļauj izpētīt dažu orgānu funkcionālo stāvokli. Piemēram, ārsts var tieši novērot plaušu kustības, kontrastvielas pāreju caur kuņģa-zarnu traktu. Šīs metodes trūkumi ir nepietiekami kontrasta attēli un salīdzinoši lielas starojuma devas, ko pacients saņem procedūras laikā.
Fluorogrāfija ... Šī metode sastāv no pacienta ķermeņa daļas fotoattēla iegūšanas. Tos parasti izmanto pacientu iekšējo orgānu stāvokļa iepriekšējai pārbaudei, izmantojot nelielas rentgenstaru devas.
Radiogrāfija. (rentgena radiogrāfija). Šī ir rentgena izmeklēšanas metode, kurā attēls tiek ierakstīts fotofilmā. Fotogrāfijas parasti tiek uzņemtas divās perpendikulārās plaknēs. Šai metodei ir vairākas priekšrocības. Rentgena fotogrāfijās ir vairāk detaļu nekā attēlā uz fluorescējošā ekrāna, un tāpēc tās ir informatīvākas. Tos var saglabāt vēlākai analīzei. Kopējā starojuma deva ir mazāka nekā fluoroskopijā izmantotā.
Datorizētā rentgena tomogrāfija ... Ar datortehnoloģiju aprīkots aksiālais tomogrāfiskais skeneris ir modernākā rentgendiagnostikas iekārta, kas ļauj iegūt skaidru priekšstatu par jebkuru cilvēka ķermeņa daļu, arī orgānu mīkstajiem audiem.
Pirmās paaudzes datortomogrāfijas (CT) skeneri ietver īpašu rentgena cauruli, kas ir piestiprināta cilindriskam rāmim. Uz pacientu tiek vērsts plāns rentgena staru kūlis. Rāmja pretējā pusē ir piestiprināti divi rentgena detektori. Pacients atrodas rāmja centrā, kas var pagriezties par 180 ° ap savu ķermeni.
Rentgena stars iet cauri stacionāram objektam. Detektori uztver un reģistrē dažādu audu absorbcijas vērtības. Ieraksti tiek veikti 160 reizes, kamēr rentgenstaru caurule tiek lineāri pārvietota pa skenēto plakni. Pēc tam rāmi pagriež par 1 0 un procedūru atkārto. Ierakstīšana turpinās, līdz kadrs pagriežas par 180 0. Katrs detektors pētījuma laikā ieraksta 28800 kadrus (180x160). Informāciju apstrādā dators, un ar speciālas datorprogrammas palīdzību tiek veidots izvēlētā slāņa attēls.
Otrās paaudzes CT izmanto vairākus rentgena starus un līdz 30 rentgena detektoriem. Tas ļauj paātrināt izpētes procesu līdz 18 sekundēm.
Trešās paaudzes CT izmanto jaunu principu. Plašs vēdekļveida rentgena stars aptver pētāmo objektu, un caur ķermeni pārraidīto rentgena starojumu fiksē vairāki simti detektoru. Pētījumam nepieciešamais laiks tiek samazināts līdz 5-6 sekundēm.
CT ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar iepriekšējām rentgena metodēm. To raksturo augsta izšķirtspēja, kas ļauj atšķirt smalkas izmaiņas mīkstajos audos. CT var noteikt patoloģiskus procesus, kurus nevar noteikt ar citām metodēm. Turklāt CT izmantošana ļauj samazināt rentgena starojuma devu, kas saņemta pacientu diagnostikas laikā.
Rentgenstariem ir viena no svarīgākajām lomām atomu parādību izpētē un praktiskajā izmantošanā. Pateicoties viņu pētījumiem, ir veikti daudzi atklājumi un izstrādātas vielu analīzes metodes, kas tiek izmantotas dažādās jomās. Šeit mēs apskatīsim vienu no rentgenstaru veidiem - raksturīgo rentgenstaru.
Rentgenstaru būtība un īpašības
Rentgena starojums ir augstfrekvences izmaiņas elektromagnētiskā lauka stāvoklī, kas izplatās telpā ar ātrumu aptuveni 300 000 km / s, tas ir, elektromagnētiskie viļņi. Elektromagnētiskā starojuma diapazona mērogā rentgena stari atrodas viļņu garuma diapazonā no aptuveni 10 -8 līdz 5 ∙ 10 -12 metriem, kas ir par vairākām kārtām īsāki nekā optiskie viļņi. Tas atbilst frekvencēm no 3 ∙ 10 16 līdz 6 ∙ 10 19 Hz un enerģijām no 10 eV līdz 250 keV jeb 1,6 ∙ 10 -18 līdz 4 ∙ 10 -14 J. Jāņem vērā, ka frekvenču diapazona robežas elektromagnētiskais starojums ir diezgan patvaļīgs to pārklāšanās dēļ.
Tā ir paātrinātu lādētu daļiņu (augstas enerģijas elektronu) mijiedarbība ar elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem un vielas atomiem.
Rentgenstaru fotoniem ir liela enerģija un augsta iespiešanās un jonizācijas spēja, īpaši cietajiem rentgena stariem, kuru viļņa garums ir mazāks par 1 nanometru (10–9 m).
Rentgenstari mijiedarbojas ar vielu, jonizējot tās atomus, fotoelektriskā efekta (fotoabsorbcijas) un nesakarīgās (Compton) izkliedes procesos. Fotoabsorbcijas laikā rentgena fotons, ko absorbē atoma elektrons, nodod tam enerģiju. Ja tā vērtība pārsniedz elektrona saistīšanas enerģiju atomā, tad tas atstāj atomu. Komptona izkliede ir raksturīga cietākiem (enerģiskiem) rentgena fotoniem. Daļa absorbētā fotona enerģijas tiek tērēta jonizācijai; savukārt noteiktā leņķī pret primārā fotona virzienu sekundārais tiek emitēts ar zemāku frekvenci.
Rentgena starojuma veidi. Bremzēšanas starojums
Lai iegūtu starus, tiek izmantoti stikla vakuuma cilindri ar elektrodiem, kas atrodas iekšpusē. Potenciālu starpība starp elektrodiem ir ļoti liela - līdz pat simtiem kilovoltu. Termioniskā emisija notiek uz volframa katoda, ko silda strāva, tas ir, no tā tiek emitēti elektroni, kas, potenciālu starpības paātrināti, bombardē anodu. To mijiedarbības rezultātā ar anoda (dažkārt to sauc par antikatodu) atomiem tiek ģenerēti rentgena fotoni.
Atkarībā no tā, kāds process noved pie fotona veidošanās, izšķir tādus rentgena starojuma veidus kā bremsstrahlung un raksturīgais starojums.
Elektroni, satiekoties ar anodu, var palēnināties, tas ir, zaudēt enerģiju savu atomu elektriskajos laukos. Šī enerģija tiek izstarota rentgena fotonu veidā. Šādu starojumu sauc par bremsstrahlung.
Ir skaidrs, ka atsevišķiem elektroniem bremzēšanas apstākļi būs atšķirīgi. Tas nozīmē, ka dažādi to kinētiskās enerģijas daudzumi tiek pārvērsti rentgena staros. Rezultātā bremsstrahlung ietver dažādu frekvenču un attiecīgi viļņu garumu fotonus. Tāpēc tā spektrs ir nepārtraukts (nepārtraukts). Dažreiz šī iemesla dēļ to sauc arī par "balto" rentgena starojumu.
Bremsstrahlung fotona enerģija nevar pārsniegt elektrona kinētisko enerģiju, kas to ģenerē, tā ka starojuma starojuma maksimālā frekvence (un mazākais viļņa garums) atbilst uz anodu krītošo elektronu kinētiskās enerģijas maksimālajai vērtībai. Pēdējais ir atkarīgs no potenciālu starpības, kas tiek piemērota elektrodiem.
Ir vēl viens rentgena starojuma veids, kura avots ir cits process. Šo starojumu sauc par raksturīgu, un mēs pie tā pakavēsimies sīkāk.
Kā rodas raksturīgie rentgena stari
Sasniedzot antikatodu, ātrs elektrons var iekļūt atomā un izsist jebkuru elektronu no vienas no zemākajām orbitālēm, tas ir, pārnest uz to enerģiju, kas ir pietiekama potenciālās barjeras pārvarēšanai. Taču, ja elektronu aizņemtajā atomā ir augstāki enerģijas līmeņi, brīvā telpa nepaliks tukša.
Jāatceras, ka atoma elektroniskajai struktūrai, tāpat kā jebkurai enerģijas sistēmai, ir tendence samazināt enerģiju. Izsitīšanas rezultātā izveidojušos vakanci piepilda elektrons no kāda no augstākajiem līmeņiem. Tā enerģija ir augstāka, un, ieņemot zemāku līmeni, tā izstaro pārpalikumu raksturīgā rentgena starojuma kvanta veidā.
Atoma elektroniskā struktūra ir diskrēts elektronu iespējamo enerģijas stāvokļu kopums. Tāpēc arī elektronisko vakanču nomaiņas laikā emitētajiem rentgena fotoniem var būt tikai stingri noteiktas enerģijas vērtības, kas atspoguļo līmeņa atšķirību. Rezultātā raksturīgajam rentgena starojumam nav nepārtraukts spektrs, bet gan līnijai līdzīgs spektrs. Šāds spektrs ļauj raksturot anoda vielu - no tā izriet šo staru nosaukums. Tieši spektrālo atšķirību dēļ ir skaidrs, kas ir domāts ar bremsstrahlung un raksturīgajiem rentgena stariem.
Dažkārt lieko enerģiju atoms neizstaro, bet gan tiek iztērēts trešā elektrona izsitšanai. Šis process - tā sauktais Augera efekts - visticamāk notiks, ja elektronu saistīšanas enerģija nepārsniedz 1 keV. Atbrīvotā Augera elektrona enerģija ir atkarīga no atoma enerģijas līmeņu struktūras, tāpēc arī šādu elektronu spektri ir diskrēti.
Raksturīgā spektra vispārīgs skats
Rentgenstaru spektrālajā modelī ir šauras raksturīgās līnijas, kā arī nepārtraukts bremzstrahlung spektrs. Ja mēs attēlosim spektru kā intensitātes un viļņa garuma (frekvences) diagrammu, līniju vietās mēs redzēsim asus maksimumus. To novietojums ir atkarīgs no anoda materiāla. Šīs virsotnes ir pie jebkuras potenciālu starpības — ja ir rentgenstari, vienmēr ir arī maksimumi. Palielinoties spriegumam pie caurules elektrodiem, palielinās gan nepārtrauktā, gan raksturīgā rentgena starojuma intensitāte, bet pīķu atrašanās vieta un to intensitātes attiecība nemainās.
Rentgenstaru spektros pīķiem ir vienāds izskats neatkarīgi no antikatoda materiāla, kas apstarots ar elektroniem, bet dažādiem materiāliem tie atrodas dažādās frekvencēs, apvienojoties virknē atbilstoši frekvenču vērtību tuvumam. Frekvences atšķirība starp pašām sērijām ir daudz nozīmīgāka. Maksimumu veids nekādā veidā nav atkarīgs no tā, vai anoda materiāls ir tīrs ķīmisks elements vai sarežģīta viela. Pēdējā gadījumā to veidojošo elementu raksturīgie rentgenstaru spektri ir vienkārši uzlikti viens otram.
Palielinoties ķīmiskā elementa sērijas numuram, visas tā rentgena spektra līnijas tiek novirzītas uz frekvences palielināšanos. Šajā gadījumā spektrs saglabā savu formu.
Mozeleja likums
Raksturīgo līniju spektrālās nobīdes fenomenu eksperimentāli atklāja angļu fiziķis Henrijs Mozelijs 1913. gadā. Tas ļāva viņam saistīt spektra maksimumu frekvences ar ķīmisko elementu sērijas numuriem. Tādējādi raksturīgā rentgena starojuma viļņa garums, kā izrādījās, var skaidri korelēt ar noteiktu elementu. Vispārīgi runājot, Mozeleja likumu var uzrakstīt šādi: √f = (Z - S n) / n√R, kur f ir frekvence, Z ir elementa kārtas numurs, S n ir skrīninga konstante, n ir galvenais kvantu skaitlis, un R ir konstante Rydberg. Šī atkarība ir lineāra un Moseley diagrammā izskatās kā taisnu līniju sērija katrai n vērtībai.
N vērtības atbilst atsevišķām raksturīgo rentgenstaru pīķu sērijām. Mozeleja likums ļauj izmantot rentgenstaru spektra maksimumu izmērītās viļņu garuma vērtības (tās ir unikāli saistītas ar frekvencēm), lai noteiktu cieto elektronu apstarotā ķīmiskā elementa kārtas numuru.
Ķīmisko elementu elektronu apvalku struktūra ir identiska. Par to liecina bīdes izmaiņu monotonitāte raksturīgā rentgena starojuma spektrā. Frekvences maiņa atspoguļo nevis strukturālas, bet enerģētiskas atšķirības starp elektronu apvalkiem, kas ir unikāli katram elementam.
Mozeleja likuma loma atomu fizikā
Ir nelielas novirzes no stingrās lineārās attiecības, ko pauž Moseleja likums. Tie ir saistīti, pirmkārt, ar dažu elementu elektronu apvalku piepildīšanas kārtības īpatnībām un, otrkārt, ar smago atomu elektronu kustības relativistiskajiem efektiem. Turklāt, mainoties neitronu skaitam kodolā (tā sauktā izotopu nobīde), līniju novietojums var nedaudz mainīties. Šis efekts ļāva detalizēti izpētīt atomu struktūru.
Mozeleja likuma nozīme ir ārkārtīgi liela. Tās konsekventā pielietošana Mendeļejeva periodiskās sistēmas elementiem noteica attiecīgi kārtas numura pieauguma regularitāti katrai nelielai raksturīgo maksimumu nobīdei. Tas palīdzēja noskaidrot jautājumu par elementu kārtas skaita fizisko nozīmi. Z vērtība nav tikai skaitlis: tas ir kodola pozitīvais elektriskais lādiņš, kas ir to veidojošo daļiņu pozitīvo lādiņu vienību summa. Pareizs elementu izvietojums tabulā un tukšu pozīciju klātbūtne tajā (tad tās vēl pastāvēja) guva spēcīgu apstiprinājumu. Periodiskā likuma spēkā esamība ir pierādīta.
Turklāt Moseley likums kļuva par pamatu, uz kura radās vesela eksperimentālo pētījumu joma - rentgenstaru spektrometrija.
Atoma elektronu apvalku uzbūve
Īsi atcerēsimies, kā ir strukturēta elektroniskā struktūra.Tā sastāv no čaulām, kas apzīmētas ar burtiem K, L, M, N, O, P, Q vai cipariem no 1 līdz 7. Korpusā esošos elektronus raksturo viens un tas pats galvenais. kvantu skaitlis n, kas nosaka iespējamās enerģijas vērtības. Ārējos apvalkos elektronu enerģija ir lielāka, un attiecīgi mazāks ir ārējo elektronu jonizācijas potenciāls.
Apvalks ietver vienu vai vairākus apakšlīmeņus: s, p, d, f, g, h, i. Katrā apvalkā apakšlīmeņu skaits tiek palielināts par vienu, salīdzinot ar iepriekšējo. Elektronu skaits katrā apakšlīmenī un katrā apvalkā nedrīkst pārsniegt noteiktu vērtību. Tos papildus galvenajam kvantu skaitlim raksturo viena un tā pati orbitāles vērtība, kas nosaka elektronu mākoņa formu. Apakšlīmeņi tiek apzīmēti ar norādi uz apvalku, kuram tie pieder, piemēram, 2s, 4d utt.
Apakšlīmenis satur, kurus papildus galvenajam un orbitālajam nosaka cits kvantu skaitlis - magnētiskais, kas nosaka elektrona orbitālā momenta projekciju uz magnētiskā lauka virzienu. Vienā orbitālē var būt ne vairāk kā divi elektroni, kas atšķiras ar ceturtā kvantu skaitļa vērtību - spin.
Ļaujiet mums sīkāk apsvērt, kā rodas raksturīgs rentgena starojums. Tā kā šāda veida elektromagnētiskās emisijas izcelsme ir saistīta ar parādībām, kas notiek atoma iekšienē, visērtāk to aprakstīt elektronisko konfigurāciju tuvināšanā.
Raksturīgā rentgena starojuma ģenerēšanas mehānisms
Tātad šī starojuma parādīšanās iemesls ir elektronisku vakanču veidošanās iekšējos apvalkos, pateicoties augstas enerģijas elektronu iekļūšanai dziļi atomā. Iespējamība, ka cietais elektrons mijiedarbosies, palielinās, palielinoties elektronu mākoņu blīvumam. Tāpēc sadursmes, visticamāk, notiek blīvi iesaiņotos iekšējos apvalkos, piemēram, zemākajā K apvalkā. Šeit atoms tiek jonizēts, un 1s apvalkā veidojas vakance.
Šī vakance ir piepildīta ar elektronu no čaulas ar lielāku enerģiju, kura pārpalikumu aiznes rentgena fotons. Šis elektrons var "nokrist" no otrā apvalka L, no trešā M utt. Šādi veidojas raksturīgā sērija, šajā piemērā - K sērija. Norāde par to, no kurienes nāk elektrons, kas aizpildīja vakanci, ir sniegts grieķu indeksa veidā sērijas apzīmējumā. Alfa nozīmē, ka tas nāk no L veida apvalka, beta nozīmē M apvalku. Pašlaik ir tendence grieķu burtu indeksus aizstāt ar latīņu burtiem, ko izmanto čaumalu apzīmēšanai.
Alfa līnijas intensitāte sērijā vienmēr ir visaugstākā, kas nozīmē, ka iespēja aizpildīt vakanci no blakus esošās čaulas ir vislielākā.
Tagad mēs varam atbildēt uz jautājumu, kāda ir raksturīgā rentgena starojuma maksimālā kvantu enerģija. To nosaka enerģijas vērtību atšķirības līmeņos, starp kuriem notiek elektronu pāreja, saskaņā ar formulu E = E n 2 - E n 1, kur E n 2 un E n 1 ir elektronu enerģijas stāvokļi, starp kuriem notika pāreja. Šī parametra augstāko vērtību dod K sērijas pārejas no smago elementu atomu augstākajiem līmeņiem. Bet šo līniju intensitāte (pīķa augstumi) ir vismazākā, jo tās ir vismazākās.
Ja nepietiekama sprieguma dēļ pie elektrodiem cietais elektrons nevar sasniegt K līmeni, tas veido vakanci L līmenī, un veidojas mazāk enerģiska L sērija ar garākiem viļņu garumiem. Līdzīgi dzimst arī turpmākās sērijas.
Turklāt, kad elektroniskās pārejas rezultātā tiek aizpildīta vakance, pārklājošajā apvalkā parādās jauna vakance. Tas rada apstākļus nākamās sērijas ģenerēšanai. Elektroniskās vakances virzās augstāk no līmeņa uz līmeni, un atoms izstaro raksturīgu spektrālo sēriju kaskādi, vienlaikus paliekot jonizēts.
Raksturīgo spektru smalkā struktūra
Raksturīgo rentgenstaru atomu rentgena spektriem ir raksturīga smalka struktūra, kas izpaužas, tāpat kā optiskajos spektros, līniju sadalīšanā.
Smalkā struktūra ir saistīta ar to, ka enerģijas līmenis - elektronu apvalks - ir cieši izvietotu komponentu kopums - apakščaulas. Lai raksturotu apakščaulas, tiek ieviests vēl viens iekšējais kvantu skaitlis j, kas atspoguļo elektrona iekšējo un orbitālo magnētisko momentu mijiedarbību.
Spin-orbītas mijiedarbības ietekmē sarežģītāka kļūst atoma enerģētiskā struktūra, kā rezultātā raksturīgajam rentgena starojumam ir spektrs, kam raksturīgas šķeltas līnijas ar ļoti cieši izvietotiem elementiem.
Smalkas struktūras elementus ir ierasts apzīmēt ar papildu digitālajiem indeksiem.
Raksturīgajam rentgena starojumam ir iezīme, kas atspoguļojas tikai smalkajā spektra struktūrā. Elektrona pāreja uz zemāku enerģijas līmeni nenotiek no augstākā līmeņa apakšējās apakščaulas. Šādam notikumam ir niecīga iespējamība.
Rentgenstaru izmantošana spektrometrijā
Šis starojums, pateicoties tā pazīmēm, kas aprakstītas Moseleja likumā, ir dažādu rentgenstaru spektrālo metožu pamatā vielu analīzei. Analizējot rentgenstaru spektru, tiek izmantota vai nu starojuma difrakcija ar kristāliem (viļņu dispersijas metode), vai detektori, kas ir jutīgi pret absorbēto rentgena fotonu enerģiju (enerģijas izkliedēšanas metode). Lielākā daļa elektronu mikroskopu ir aprīkoti ar sava veida rentgena spektrometriskiem pielikumiem.
Viļņu garuma dispersīvā spektrometrija ir īpaši precīza. Ar speciālu filtru palīdzību tiek izdalītas intensīvākās spektra virsotnes, kuru dēļ iespējams iegūt praktiski monohromatisku starojumu ar precīzi zināmu frekvenci. Anoda materiāls ir rūpīgi atlasīts, lai nodrošinātu vajadzīgās frekvences monohromatisku staru kūli. Tā difrakcija uz pētāmās vielas kristāliskā režģa ļauj ar lielu precizitāti izpētīt režģa struktūru. Šo metodi izmanto arī DNS un citu sarežģītu molekulu izpētē.
Viena no raksturīgā rentgena starojuma pazīmēm tiek ņemta vērā arī gamma spektrometrijā. Tā ir raksturīgo pīķu augstā intensitāte. Gamma spektrometros tiek izmantota svina aizsardzība pret ārējo fona starojumu, kas traucē mērījumiem. Bet svins, absorbējot gamma kvantus, piedzīvo iekšēju jonizāciju, kā rezultātā tas aktīvi izstaro rentgena diapazonā. Lai absorbētu svina raksturīgā rentgena starojuma intensīvo maksimumu, tiek izmantots papildu kadmija ekranējums. Tas savukārt ir jonizēts un arī izstaro rentgenstarus. Lai neitralizētu kadmijam raksturīgās virsotnes, tiek izmantots trešais ekranēšanas slānis - varš, kura rentgena maksimumi atrodas ārpus gamma spektrometra darbības frekvenču diapazona.
Spektrometrijā izmanto gan bremsstrahlung, gan raksturīgos rentgena starus. Tātad, analizējot vielas, nepārtrauktu rentgenstaru absorbcijas spektri tiek pētīti ar dažādām vielām.
Fiziski rentgenstari ir elektromagnētiskais starojums ar viļņu garumu no 0,001 līdz 50 nanometriem. To 1895. gadā atklāja vācu fiziķis V. K. Rentgens.
Pēc būtības šie stari ir saistīti ar saules ultravioleto starojumu. Spektrā radioviļņi ir visilgākie. Tiem seko infrasarkanā gaisma, ko mūsu acis neuztver, bet mēs to uztveram kā siltumu. Tālāk nāk stari no sarkana līdz purpursarkanai. Pēc tam - ultravioletais (A, B un C). Un tieši aiz tā ir rentgena un gamma stari.
Rentgenstaru var iegūt divos veidos: palēninot lādētām daļiņām, kas tai iet cauri vielā, un pārejot elektroniem no augstākiem slāņiem uz iekšējiem, kad enerģija atbrīvojas.
Atšķirībā no redzamās gaismas šie stari ir ļoti gari, tāpēc spēj iekļūt necaurspīdīgos materiālos, tajos neatspīdējot, nelūstot un neuzkrājoties.
Ir vieglāk iegūt bremzēšanas starojumu. Uzlādētas daļiņas bremzējot izstaro elektromagnētisko starojumu. Jo lielāks ir šo daļiņu paātrinājums un līdz ar to straujāks palēninājums, jo vairāk tiek ģenerēts rentgena starojums, un tā viļņa garums kļūst mazāks. Vairumā gadījumu praksē viņi izmanto staru ģenerēšanu elektronu palēnināšanas procesā cietās vielās. Tas ļauj kontrolēt šī starojuma avotu, izvairoties no radiācijas iedarbības briesmām, jo, izslēdzot avotu, rentgena starojums pilnībā izzūd.
Visizplatītākais šāda starojuma avots – starojums, ko tas izstaro, ir neviendabīgs. Tas satur gan mīkstu (garo viļņu), gan cieto (īsviļņu) starojumu. Mīkstajam ir raksturīgs tas, ka cilvēka organisms to pilnībā uzsūc, tādēļ šāds rentgena starojums nodara divreiz lielāku ļaunumu nekā cietais. Ar pārmērīgu elektromagnētisko starojumu cilvēka ķermeņa audos jonizācija var bojāt šūnas un DNS.
Caurule ir ar diviem elektrodiem - negatīvo katodu un pozitīvo anodu. Kad katods tiek uzkarsēts, no tā iztvaiko elektroni, pēc tam tie tiek paātrināti elektriskā laukā. Saduroties ar anodu cieto vielu, tie sāk bremzēt, ko pavada elektromagnētiskā starojuma emisija.
Rentgena starojums, kura īpašības tiek plaši izmantotas medicīnā, balstās uz pētāmā objekta ēnas attēla iegūšanu uz jutīga ekrāna. Ja diagnosticētais orgāns tiek izspīdēts ar staru kūli paralēli viens otram, tad ēnu projekcija no šī orgāna tiks pārraidīta bez kropļojumiem (proporcionāli). Praksē starojuma avots ir vairāk kā punktveida avots, tāpēc tas atrodas attālumā no cilvēka un ekrāna.
Lai iegūtu personu, tiek novietota starp rentgena cauruli un ekrānu vai filmu, kas darbojas kā starojuma uztvērēji. Apstarošanas rezultātā kauli un citi blīvi audi parādās attēlā acīmredzamu ēnu veidā, izskatās kontrastējošāki uz mazāk izteiksmīgu zonu fona, kas pārnes audus ar mazāku uzsūkšanos. Rentgena staros cilvēks kļūst "caurspīdīgs".
Kad rentgenstari izplatās, tie var tikt izkliedēti un absorbēti. Pirms uzsūkšanās stari var pārvietoties simtiem metru gaisā. Blīvā vielā tie uzsūcas daudz ātrāk. Cilvēka bioloģiskie audi ir neviendabīgi, tāpēc staru absorbcija tajos ir atkarīga no orgānu audu blīvuma. absorbē starus ātrāk nekā mīkstie audi, jo satur vielas ar lielu atomu skaitu. Fotonus (atsevišķas staru daļiņas) dažādi cilvēka ķermeņa audi absorbē dažādos veidos, kas ļauj iegūt kontrasta attēlu, izmantojot rentgena starus.
1895. gadā vācu fiziķis V. Rentgens atklāj jaunu, līdz šim nezināmu elektromagnētiskā starojuma veidu, kas par godu tā atklājējam tika nosaukts par rentgenu. Par sava atklājuma autoru V. Rentgens kļuva 50 gadu vecumā, ieņemot Vircburgas universitātes rektora amatu un iemantojot viena no sava laika labākajiem eksperimentētājiem reputāciju. Amerikānis Edisons bija viens no pirmajiem, kurš atrada tehnisku pielietojumu Rentgena atklājumam. Viņš izveidoja ērtu demonstrācijas aparātu un jau 1896. gada maijā Ņujorkā sarīkoja rentgena izstādi, kurā apmeklētāji varēja apskatīt savu roku uz gaismas ekrāna. Pēc tam, kad Edisona palīgs nomira no smagiem apdegumiem, kurus viņš saņēma pastāvīgo demonstrāciju laikā, izgudrotājs pārtrauca turpmākos eksperimentus ar rentgena stariem.
Rentgena starojumu sāka izmantot medicīnā, pateicoties tā augstajai iespiešanās spējai. Sākotnēji rentgena starus izmantoja, lai pārbaudītu kaulu lūzumus un noteiktu svešķermeņu atrašanās vietu cilvēka ķermenī. Pašlaik ir vairākas metodes, kuru pamatā ir rentgena starojums. Taču šīm metodēm ir savi trūkumi: starojums var radīt dziļus ādas bojājumus. Parādītās čūlas bieži pārvērtās par vēzi. Daudzos gadījumos nācās amputēt pirkstus vai rokas. Fluoroskopija(sinonīms transiluminācija) - viena no galvenajām rentgena izmeklēšanas metodēm, kas sastāv no pētāmā objekta plakana pozitīva attēla iegūšanas uz caurspīdīga (fluorescējoša) ekrāna. Fluoroskopijā objekts atrodas starp caurspīdīgo ekrānu un rentgenstaru cauruli. Mūsdienu rentgenstaru pārraides ekrānos attēls parādās brīdī, kad tiek ieslēgta rentgenstaru caurule, un pazūd uzreiz pēc tās izslēgšanas. Fluoroskopija dod iespēju pētīt kāda orgāna darbību – sirdsdarbību, ribu, plaušu, diafragmas elpošanas kustības, gremošanas trakta peristaltiku u.c. Fluoroskopiju izmanto kuņģa, kuņģa-zarnu trakta, divpadsmitpirkstu zarnas 12 slimību, aknu, žultspūšļa un žults ceļu slimību ārstēšanā. Šajā gadījumā medicīniskā zonde un manipulatori tiek ievadīti, nesabojājot audus, un darbības operācijas laikā tiek kontrolētas ar fluoroskopiju un ir redzamas monitorā.
Radiogrāfija - Rentgendiagnostikas metode ar nekustīga attēla reģistrāciju uz gaismjutīga materiāla - spec. fotofilma (rentgena filma) vai fotopapīrs ar sekojošu fotoapstrādi; digitālajā radiogrāfijā attēls tiek ierakstīts datora atmiņā. To veic uz rentgendiagnostikas ierīcēm – stacionārām, uzstādītām speciāli aprīkotās rentgena telpās vai mobilajām un pārnēsājamām – pie pacienta gultas vai operāciju zālē. Rentgenogrammās dažādu orgānu struktūru elementi tiek parādīti daudz skaidrāk nekā fluorescējošā ekrānā. Radiogrāfija tiek veikta dažādu slimību identificēšanai un profilaksei, tās galvenais mērķis ir pareizi palīdzēt dažādu specialitāšu ārstiem un ātri noteikt diagnozi. Rentgena fotogrāfija fiksē orgāna vai audu stāvokli tikai uzņemšanas laikā. Taču viena rentgenogramma fiksē tikai anatomiskas izmaiņas noteiktā brīdī, tā dod procesa statiku; ar regulāriem intervāliem uzņemto rentgenogrammu sēriju palīdzību ir iespējams izpētīt procesa dinamiku, tas ir, funkcionālās izmaiņas. Tomogrāfija. Vārdu tomogrāfija var tulkot no grieķu valodas kā "Šķēles attēls". Tas nozīmē, ka tomogrāfijas mērķis ir iegūt pētāmā objekta iekšējās struktūras attēlu slāni pa slāņiem. Datortomogrāfiju raksturo augsta izšķirtspēja, kas ļauj atšķirt smalkas izmaiņas mīkstajos audos. CT var noteikt patoloģiskus procesus, kurus nevar noteikt ar citām metodēm. Turklāt CT izmantošana ļauj samazināt rentgena starojuma devu, kas saņemta pacientu diagnostikas laikā.
Fluorogrāfija- diagnostikas metode, kas ļauj iegūt orgānu un audu attēlu, tika izstrādāta 20. gadsimta beigās, gadu pēc rentgenstaru atklāšanas. Attēlos redzama skleroze, fibroze, svešķermeņi, jaunveidojumi, iekaisumi ar attīstītu pakāpi, gāzu klātbūtne un infiltrācija dobumos, abscesi, cistas u.c. Visbiežāk krūškurvja fluorogrāfiju veic, lai atklātu tuberkulozi, ļaundabīgu audzēju plaušās vai krūškurvī un citas patoloģijas.
Rentgena terapija– Tā ir mūsdienīga metode, ar kuru tiek ārstētas dažas locītavu patoloģijas. Galvenie ortopēdisko slimību ārstēšanas virzieni ar šo metodi ir: Hronisks. Locītavu iekaisuma procesi (artrīts, poliartrīts); Deģeneratīvas (osteoartrīts, osteohondroze, deformējoša spondiloze). Rentgena terapijas mērķis ir patoloģiski izmainītu audu šūnu dzīvībai svarīgās aktivitātes kavēšana vai to pilnīga iznīcināšana. Neoplastisku slimību gadījumā rentgena terapija ir vērsta uz iekaisuma reakcijas nomākšanu, proliferācijas procesu nomākšanu, sāpju jutīguma un dziedzeru sekrēcijas aktivitātes samazināšanu. Jāpatur prātā, ka visjutīgākie pret rentgena stariem ir dzimumdziedzeri, asinsrades orgāni, leikocīti un ļaundabīgo audzēju šūnas. Radiācijas devu katrā gadījumā nosaka individuāli.
Par rentgenstaru atklāšanu 1901. gadā Rentgenam tika piešķirta pirmā Nobela prēmija fizikā, un Nobela komiteja uzsvēra viņa atklājuma praktisko nozīmi.
Tādējādi rentgenstari ir neredzams elektromagnētiskais starojums ar viļņa garumu 105 - 102 nm. Rentgenstari var iekļūt dažos materiālos, kas ir necaurredzami redzamai gaismai. Tie tiek emitēti vielā ātro elektronu palēninājuma laikā (nepārtraukts spektrs) un elektronu pārejā no atoma ārējiem elektronu apvalkiem uz iekšējo (lineārais spektrs). Rentgena starojuma avoti ir: rentgenstaru caurule, daži radioaktīvie izotopi, paātrinātāji un elektronu uzglabāšanas ierīces (sinhronais starojums). Uztvērēji - fotofilmas, luminiscējošie ekrāni, kodolstarojuma detektori. Rentgenstari tiek izmantoti rentgenstaru struktūras analīzē, medicīnā, defektu noteikšanā, rentgenstaru spektrālajā analīzē utt.