Rrezatimi me RREZE X
rrezatim i padukshëm i aftë për të depërtuar, megjithëse në shkallë të ndryshme, të gjitha substancat. Është rrezatim elektromagnetik me gjatësi vale rreth 10-8 cm.Ashtu si drita e dukshme, rrezet X shkaktojnë nxirje të filmit fotografik. Kjo pronë ka një rëndësi të madhe për mjekësinë, industrinë dhe kërkimin shkencor. Duke kaluar nëpër objektin në studim dhe më pas duke rënë mbi film, rrezatimi me rreze X përshkruan strukturën e tij të brendshme mbi të. Meqenëse fuqia depërtuese e rrezatimit me rreze X është e ndryshme për materiale të ndryshme, pjesët e objektit që janë më pak transparente ndaj tij japin zona më të ndritshme në fotografi sesa ato nëpër të cilat rrezatimi depërton mirë. Kështu, indet e eshtrave janë më pak transparente ndaj rrezeve X sesa indet që përbëjnë lëkurën dhe organet e brendshme. Prandaj, në radiografi, kockat do të tregohen si zona më të lehta dhe vendi i thyerjes, i cili është më transparent për rrezatim, mund të zbulohet mjaft lehtë. Imazhi me rreze X përdoret gjithashtu në stomatologji për të zbuluar kariesin dhe absceset në rrënjët e dhëmbëve, si dhe në industri për të zbuluar çarjet në kallëp, plastikë dhe goma. Rrezet X përdoren në kimi për të analizuar komponimet dhe në fizikë për të studiuar strukturën e kristaleve. Një rreze me rreze X që kalon nëpër një përbërje kimike shkakton një rrezatim dytësor karakteristik, analiza spektroskopike e të cilit lejon kimistin të përcaktojë përbërjen e përbërjes. Kur bie mbi një substancë kristalore, një rreze me rreze X shpërndahet nga atomet e kristalit, duke dhënë një model të qartë dhe të rregullt pikash dhe vijash në një pllakë fotografike, gjë që bën të mundur vendosjen e strukturës së brendshme të kristalit. Përdorimi i rrezeve X në trajtimin e kancerit bazohet në faktin se vret qelizat e kancerit. Megjithatë, ajo gjithashtu mund të ketë një efekt të padëshirueshëm në qelizat normale. Prandaj, duhet treguar kujdes ekstrem në këtë përdorim të rrezeve X. Rrezatimi me rreze X u zbulua nga fizikani gjerman W. Roentgen (1845-1923). Emri i tij është përjetësuar në disa terma të tjerë fizikë që lidhen me këtë rrezatim: njësia ndërkombëtare e dozës së rrezatimit jonizues quhet roentgen; një fotografi e marrë me një aparat me rreze x quhet radiografi; Fusha e mjekësisë radiologjike që përdor rrezet X për të diagnostikuar dhe trajtuar sëmundjet quhet radiologji. Roentgen zbuloi rrezatimin në 1895 kur ishte profesor i fizikës në Universitetin e Würzburg. Gjatë kryerjes së eksperimenteve me rrezet katodike (elektroni rrjedh në tubat e shkarkimit), ai vuri re se një ekran i vendosur pranë tubit të vakumit, i mbuluar me cianoplatinit barium kristalor, shkëlqen shkëlqyeshëm, megjithëse vetë tubi është i mbuluar me karton të zi. Roentgen konstatoi më tej se fuqia depërtuese e rrezeve të panjohura që zbuloi, të cilat ai i quajti rreze X, varej nga përbërja e materialit thithës. Ai gjithashtu imazhoi kockat e dorës së tij duke e vendosur atë midis një tubi shkarkimi me rreze katodike dhe një ekrani të veshur me cianoplatinit barium. Zbulimi i Roentgen u pasua nga eksperimente nga studiues të tjerë, të cilët zbuluan shumë veti dhe aplikime të reja të këtij rrezatimi. Një kontribut të madh dhanë M. Laue, W. Friedrich dhe P. Knipping, të cilët demonstruan në vitin 1912 difraksionin e rrezeve X kur ato kalonin nëpër një kristal; W. Coolidge, i cili në vitin 1913 shpiku një tub me rreze X me vakum të lartë me një katodë të ndezur; G. Moseley, i cili vendosi në vitin 1913 marrëdhënien midis gjatësisë së valës së rrezatimit dhe numrit atomik të një elementi; G. dhe L. Braggi, të cilët morën çmimin Nobel në 1915 për zhvillimin e bazave të analizës së difraksionit me rreze X.
MARRJA E RREZATIMIT ME RREZE X
Rrezatimi me rreze X ndodh kur elektronet që lëvizin me shpejtësi të madhe ndërveprojnë me lëndën. Kur elektronet përplasen me atomet e çdo substance, ato shpejt humbasin energjinë e tyre kinetike. Në këtë rast, pjesa më e madhe e tij shndërrohet në nxehtësi, dhe një pjesë e vogël, zakonisht më pak se 1%, shndërrohet në energji të rrezeve X. Kjo energji lëshohet në formën e kuanteve - grimcave të quajtura fotone që kanë energji, por kanë masë pushimi zero. Fotonet me rreze X ndryshojnë në energjinë e tyre, e cila është në përpjesëtim të zhdrejtë me gjatësinë e valës së tyre. Me metodën konvencionale të marrjes së rrezeve x, fitohet një gamë e gjerë gjatësi vale, e cila quhet spektri i rrezeve x. Spektri përmban komponentë të theksuar, siç tregohet në Fig. 1. Një "vazhdimësi" e gjerë quhet spektër i vazhdueshëm ose rrezatim i bardhë. Majat e mprehta të mbivendosura mbi të quhen linja karakteristike të emetimit të rrezeve X. Edhe pse i gjithë spektri është rezultat i përplasjeve të elektroneve me lëndën, mekanizmat për shfaqjen e pjesës së gjerë dhe vijave të tij janë të ndryshme. Një substancë përbëhet nga një numër i madh atomesh, secila prej të cilave ka një bërthamë të rrethuar nga predha elektronike, dhe çdo elektron në shtresën e një atomi të një elementi të caktuar zë një nivel të caktuar energjie diskrete. Zakonisht këto predha, ose nivele të energjisë, shënohen me simbolet K, L, M, etj., duke filluar nga guaska më e afërt me bërthamën. Kur një elektron rënës me energji mjaft të lartë përplaset me një nga elektronet e lidhur me atomin, ai e rrëzon atë elektron nga guaska e tij. Hapësira boshe është e zënë nga një elektron tjetër nga guaska, e cila korrespondon me një energji më të lartë. Ky i fundit lëshon energji të tepërt duke emetuar një foton me rreze X. Meqenëse elektronet e guaskës kanë vlera diskrete të energjisë, fotonet e rrezeve X që rezultojnë kanë gjithashtu një spektër diskret. Kjo korrespondon me majat e mprehta për gjatësi vale të caktuara, vlerat specifike të të cilave varen nga elementi i synuar. Linjat karakteristike formojnë seritë K-, L- dhe M, varësisht nga cila shtresë (K, L ose M) është hequr elektroni. Marrëdhënia midis gjatësisë së valës së rrezeve X dhe numrit atomik quhet ligji i Moseley-t (Fig. 2).
Nëse një elektron përplaset me një bërthamë relativisht të rëndë, atëherë ai ngadalësohet dhe energjia e tij kinetike lëshohet në formën e një fotoni me rreze X me përafërsisht të njëjtën energji. Nëse ai kalon pranë bërthamës, ai do të humbasë vetëm një pjesë të energjisë së tij, dhe pjesa tjetër do të transferohet në atome të tjera që bien në rrugën e tij. Çdo akt i humbjes së energjisë çon në emetimin e një fotoni me pak energji. Shfaqet një spektër i vazhdueshëm i rrezeve X, kufiri i sipërm i të cilit korrespondon me energjinë e elektronit më të shpejtë. Ky është mekanizmi për formimin e një spektri të vazhdueshëm dhe energjia maksimale (ose gjatësia e valës minimale) që fikson kufirin e spektrit të vazhdueshëm është proporcionale me tensionin përshpejtues, i cili përcakton shpejtësinë e elektroneve të rënë. Linjat spektrale karakterizojnë materialin e objektivit të bombarduar, ndërsa spektri i vazhdueshëm përcaktohet nga energjia e rrezes elektronike dhe praktikisht nuk varet nga materiali i synuar. Rrezet X mund të merren jo vetëm me bombardim elektronik, por edhe duke rrezatuar objektivin me rreze X nga një burim tjetër. Megjithatë, në këtë rast, pjesa më e madhe e energjisë së rrezes rënëse shkon në spektrin karakteristik të rrezeve X, dhe një pjesë shumë e vogël e saj bie në spektrin e vazhdueshëm. Natyrisht, rrezja e rënë me rreze X duhet të përmbajë fotone, energjia e të cilëve është e mjaftueshme për të ngacmuar linjat karakteristike të elementit të bombarduar. Përqindja e lartë e energjisë për spektrin karakteristik e bën këtë metodë të ngacmimit me rreze X të përshtatshme për kërkime shkencore.
tuba me rreze X. Për të marrë rrezatim me rreze X për shkak të bashkëveprimit të elektroneve me lëndën, është e nevojshme të kemi një burim elektronesh, mjete për përshpejtimin e tyre në shpejtësi të mëdha dhe një objektiv të aftë për t'i bërë ballë bombardimeve elektronike dhe për të prodhuar rrezatim me rreze X të intensiteti i kërkuar. Pajisja që ka të gjitha këto quhet tub me rreze X. Eksploruesit e hershëm përdorën tuba "vakum të thellë" siç janë tubat e shkarkimit të sotëm. Vakuumi në to nuk ishte shumë i lartë. Tubat e shkarkimit përmbajnë një sasi të vogël gazi dhe kur një ndryshim i madh potencial aplikohet në elektrodat e tubit, atomet e gazit shndërrohen në jone pozitive dhe negative. Ato pozitive lëvizin drejt elektrodës negative (katodës) dhe, duke rënë mbi të, rrëzojnë elektronet nga ajo, dhe ata, nga ana tjetër, lëvizin drejt elektrodës pozitive (anodës) dhe, duke e bombarduar atë, krijojnë një rrymë fotonesh me rreze X. . Në tubin modern të rrezeve X të zhvilluar nga Coolidge (Fig. 3), burimi i elektroneve është një katodë tungsteni e ngrohur në një temperaturë të lartë. Elektronet përshpejtohen në shpejtësi të mëdha nga diferenca e lartë e potencialit midis anodës (ose antikatodës) dhe katodës. Meqenëse elektronet duhet të arrijnë në anodë pa u përplasur me atomet, kërkohet një vakum shumë i lartë, për të cilin tubi duhet të evakuohet mirë. Kjo gjithashtu zvogëlon probabilitetin e jonizimit të atomeve të gazit të mbetur dhe rrymave anësore të shoqëruara.
Elektronet fokusohen në anodë nga një elektrodë me formë të veçantë që rrethon katodën. Kjo elektrodë quhet elektrodë fokusuese dhe së bashku me katodën formon "prozhektorin elektronik" të tubit. Anoda që i nënshtrohet bombardimit elektronik duhet të jetë prej një materiali zjarrdurues, pasi pjesa më e madhe e energjisë kinetike të elektroneve të bombardimit shndërrohet në nxehtësi. Përveç kësaj, është e dëshirueshme që anoda të bëhet nga një material me një numër atomik të lartë, pasi rendimenti i rrezeve X rritet me rritjen e numrit atomik. Si material anodë më së shpeshti zgjidhet tungsteni, numri atomik i të cilit është 74. Dizajni i tubave me rreze X mund të jetë i ndryshëm në varësi të kushteve dhe kërkesave të aplikimit.
Zbulimi me Rreze X
Të gjitha metodat për zbulimin e rrezeve X bazohen në ndërveprimin e tyre me materien. Detektorët mund të jenë dy llojesh: ata që japin një imazh dhe ata që nuk japin. Të parat përfshijnë pajisje fluorografie dhe fluoroskopie me rreze X, në të cilat rrezja e rrezeve X kalon përmes objektit në studim dhe rrezatimi i transmetuar hyn në ekranin ose filmin lumineshent. Imazhi shfaqet për faktin se pjesë të ndryshme të objektit në studim thithin rrezatimin në mënyra të ndryshme - në varësi të trashësisë së substancës dhe përbërjes së saj. Në detektorët me një ekran luminescent, energjia e rrezeve X shndërrohet në një imazh drejtpërdrejt të vëzhgueshëm, ndërsa në radiografi regjistrohet në një emulsion të ndjeshëm dhe mund të vëzhgohet vetëm pasi të jetë zhvilluar filmi. Lloji i dytë i detektorëve përfshin një shumëllojshmëri të gjerë pajisjesh në të cilat energjia e rrezeve X konvertohet në sinjale elektrike që karakterizojnë intensitetin relativ të rrezatimit. Këto përfshijnë dhomat jonizuese, një numërues Geiger, një numërues proporcional, një numërues shkrintilimi dhe disa detektorë të veçantë të bazuar në sulfid kadmiumi dhe selenide. Aktualisht, njehsorët e scintilacionit mund të konsiderohen si detektorët më efikasë, të cilët funksionojnë mirë në një gamë të gjerë energjie.
Shiko gjithashtu DETETORËT E GJERMJEVE . Detektori zgjidhet duke marrë parasysh kushtet e problemit. Për shembull, nëse është e nevojshme të matet me saktësi intensiteti i rrezatimit të difraksionit të rrezeve X, atëherë përdoren numërues që lejojnë matjet të bëhen me një saktësi të fraksioneve të përqindjes. Nëse është e nevojshme të regjistrohen shumë rreze të difraktuara, atëherë këshillohet përdorimi i filmit me rreze X, megjithëse në këtë rast është e pamundur të përcaktohet intensiteti me të njëjtën saktësi.
DEFEKTOSKOPIA ME RREZE X DHE GAMA
Një nga aplikimet më të zakonshme të rrezeve X në industri është kontrolli i cilësisë së materialit dhe zbulimi i defekteve. Metoda me rreze x është jo-shkatërruese, kështu që materiali që testohet, nëse konstatohet se plotëson kërkesat e kërkuara, mund të përdoret më pas për qëllimin e synuar. Zbulimi i defekteve me rreze x dhe gama bazohen në fuqinë depërtuese të rrezeve x dhe karakteristikat e përthithjes së tyre në materiale. Fuqia depërtuese përcaktohet nga energjia e fotoneve të rrezeve X, e cila varet nga voltazhi përshpejtues në tubin e rrezeve X. Prandaj, mostrat e trasha dhe mostrat nga metalet e rënda, si ari dhe uraniumi, kërkojnë një burim me rreze X me një tension më të lartë për studimin e tyre dhe për mostrat e holla, mjafton një burim me tension më të ulët. Për zbulimin e gabimeve me rreze gama të derdhjeve shumë të mëdha dhe produkteve të mëdha të mbështjellë, përdoren betatronet dhe përshpejtuesit linearë, duke përshpejtuar grimcat në energji prej 25 MeV dhe më shumë. Thithja e rrezeve X në një material varet nga trashësia e absorbuesit d dhe koeficienti i përthithjes m dhe përcaktohet nga formula I = I0e-md, ku I është intensiteti i rrezatimit të transmetuar përmes absorbuesit, I0 është intensiteti i rrezatimit rënës, dhe e = 2.718 është baza e logaritmeve natyrore. Për një material të caktuar, në një gjatësi vale (ose energji) të caktuar të rrezeve X, koeficienti i përthithjes është një konstante. Por rrezatimi i një burimi me rreze X nuk është monokromatik, por përmban një spektër të gjerë gjatësi vale, si rezultat i të cilit thithja në të njëjtën trashësi të absorbuesit varet nga gjatësia e valës (frekuenca) e rrezatimit. Rrezatimi me rreze X përdoret gjerësisht në të gjitha industritë që lidhen me përpunimin e metaleve me presion. Përdoret gjithashtu për testimin e fuçive të artilerisë, ushqimeve, plastikës, për testimin e pajisjeve dhe sistemeve komplekse në inxhinierinë elektronike. (Neutronografia, e cila përdor rreze neutron në vend të rrezeve X, përdoret për qëllime të ngjashme.) Rrezet X përdoren gjithashtu për qëllime të tjera, të tilla si ekzaminimi i pikturave për të përcaktuar vërtetësinë e tyre ose zbulimi i shtresave shtesë të bojës në majë të shtresës kryesore .
DIFFRAKSIONI I RREZEVE X
Difraksioni i rrezeve X jep informacion të rëndësishëm për trupat e ngurtë - strukturën e tyre atomike dhe formën kristalore - si dhe për lëngjet, trupat amorfë dhe molekulat e mëdha. Metoda e difraksionit përdoret gjithashtu për përcaktimin e saktë (me një gabim më të vogël se 10-5) të distancave ndëratomike, zbulimin e sforcimeve dhe defekteve dhe për përcaktimin e orientimit të kristaleve të vetme. Modeli i difraksionit mund të identifikojë materiale të panjohura, si dhe të zbulojë praninë e papastërtive në mostër dhe t'i përcaktojë ato. Rëndësia e metodës së difraksionit me rreze X për përparimin e fizikës moderne vështirë se mund të mbivlerësohet, pasi kuptimi modern i vetive të materies bazohet në fund të fundit në të dhënat mbi rregullimin e atomeve në përbërje të ndryshme kimike, mbi natyrën e lidhjeve. ndërmjet tyre dhe në defekte strukturore. Mjeti kryesor për marrjen e këtij informacioni është metoda e difraksionit me rreze X. Kristalografia e difraksionit me rreze X është thelbësore për përcaktimin e strukturave të molekulave komplekse të mëdha, të tilla si ato të acidit deoksiribonukleik (ADN), materiali gjenetik i organizmave të gjallë. Menjëherë pas zbulimit të rrezeve X, interesi shkencor dhe mjekësor u përqendrua si në aftësinë e këtij rrezatimi për të depërtuar nëpër trupa, ashtu edhe në natyrën e tij. Eksperimentet mbi difraksionin e rrezeve X në të çarat dhe grilat e difraksionit treguan se ai i përket rrezatimit elektromagnetik dhe ka një gjatësi vale të rendit 10-8-10-9 cm. Edhe më herët, shkencëtarët, veçanërisht W. Barlow, supozuan se forma e rregullt dhe simetrike e kristaleve natyrore është për shkak të renditjes së renditur të atomeve që formojnë kristalin. Në disa raste, Barlow ishte në gjendje të parashikonte saktë strukturën e një kristali. Vlera e distancave ndëratomike të parashikuara ishte 10-8 cm. Fakti që distancat ndëratomike rezultuan të ishin të rendit të gjatësisë së valës së rrezeve X, bëri të mundur në parim vëzhgimin e difraksionit të tyre. Rezultati ishte ideja për një nga eksperimentet më të rëndësishme në historinë e fizikës. M. Laue organizoi një test eksperimental të kësaj ideje, i cili u krye nga kolegët e tij W. Friedrich dhe P. Knipping. Në vitin 1912, të tre ata botuan punën e tyre mbi rezultatet e difraksionit të rrezeve X. Parimet e difraksionit të rrezeve X. Për të kuptuar fenomenin e difraksionit të rrezeve X, duhet marrë parasysh me radhë: së pari, spektri i rrezeve X, së dyti, natyra e strukturës kristalore dhe, së treti, vetë fenomeni i difraksionit. Siç u përmend më lart, rrezatimi karakteristik i rrezeve X përbëhet nga një seri linjash spektrale të një shkalle të lartë monokromatike, të përcaktuara nga materiali i anodës. Me ndihmën e filtrave, ju mund të zgjidhni më intensivët prej tyre. Prandaj, duke zgjedhur materialin e anodës në mënyrë të përshtatshme, është e mundur të përftohet një burim i rrezatimit pothuajse njëngjyrësh me një vlerë të gjatësisë valore të përcaktuar shumë saktë. Gjatësia e valës së rrezatimit karakteristik zakonisht varion nga 2.285 për kromin në 0.558 për argjendin (vlerat për elementë të ndryshëm njihen në gjashtë shifra të rëndësishme). Spektri karakteristik mbivendoset në një spektër të vazhdueshëm "të bardhë" me intensitet shumë më të ulët, për shkak të ngadalësimit të elektroneve rënëse në anodë. Kështu, nga secila anodë mund të merren dy lloje rrezatimi: karakteristik dhe bremsstrahlung, secila prej të cilave luan një rol të rëndësishëm në mënyrën e vet. Atomet në strukturën kristalore janë të vendosura në intervale të rregullta, duke formuar një sekuencë qelizash identike - një grilë hapësinore. Disa grila (për shembull, për shumicën e metaleve të zakonshëm) janë mjaft të thjeshta, ndërsa të tjerët (për shembull, për molekulat e proteinave) janë mjaft komplekse. Struktura kristalore karakterizohet nga sa vijon: nëse dikush zhvendoset nga një pikë e caktuar e një qelize në pikën përkatëse të qelizës fqinje, atëherë do të gjendet saktësisht i njëjti mjedis atomik. Dhe nëse një atom ndodhet në një ose një pikë tjetër të një qelize, atëherë i njëjti atom do të vendoset në pikën ekuivalente të çdo qelize fqinje. Ky parim është rreptësisht i vlefshëm për një kristal të përsosur, të renditur në mënyrë ideale. Megjithatë, shumë kristale (për shembull, tretësira të ngurta metalike) janë të çrregulluara në një farë mase; Vende kristalografikisht ekuivalente mund të zënë atome të ndryshme. Në këto raste, nuk përcaktohet pozicioni i çdo atomi, por vetëm pozicioni i një atomi "i mesatarisht statistikisht" mbi një numër të madh grimcash (ose qelizash). Fenomeni i difraksionit diskutohet në artikullin OPTICS dhe lexuesi mund t'i referohet këtij artikulli përpara se të vazhdojë. Tregon se nëse valët (për shembull, zëri, drita, rrezet X) kalojnë nëpër një çarje ose vrimë të vogël, atëherë kjo e fundit mund të konsiderohet si një burim dytësor valësh, dhe imazhi i çarjes ose vrimës përbëhet nga drita alternative. dhe vija të errëta. Më tej, nëse ka një strukturë periodike vrimash ose slotash, atëherë si rezultat i ndërhyrjes përforcuese dhe zbutëse të rrezeve që vijnë nga vrima të ndryshme, lind një model i qartë difraksioni. Difraksioni i rrezeve X është një fenomen i shpërndarjes kolektive në të cilin rolin e vrimave dhe qendrave të shpërndarjes e luajnë atome të rregulluara periodikisht të strukturës kristalore. Përforcimi i ndërsjellë i imazheve të tyre në kënde të caktuara jep një model difraksioni të ngjashëm me atë që do të rezultonte nga difraksioni i dritës në një grilë difraksioni tredimensionale. Shpërndarja ndodh për shkak të ndërveprimit të rrezatimit të rrezeve X me elektronet në kristal. Për shkak të faktit se gjatësia e valës së rrezatimit të rrezeve X është e të njëjtit rend me dimensionet e atomit, gjatësia e valës së rrezatimit të shpërndarë të rrezeve X është e njëjtë me atë të incidentit. Ky proces është rezultat i lëkundjeve të detyruara të elektroneve nën veprimin e rrezeve X të rënë. Konsideroni tani një atom me një re elektronesh të lidhur (që rrethojnë bërthamën) mbi të cilën bien rrezet X. Elektronet në të gjitha drejtimet shpërndajnë në të njëjtën kohë incidentin dhe lëshojnë rrezatimin e tyre me rreze X me të njëjtën gjatësi vale, megjithëse me intensitet të ndryshëm. Intensiteti i rrezatimit të shpërndarë lidhet me numrin atomik të elementit, pasi numri atomik është i barabartë me numrin e elektroneve orbitale që mund të marrin pjesë në shpërndarje. (Kjo varësi e intensitetit nga numri atomik i elementit shpërndarës dhe nga drejtimi në të cilin matet intensiteti karakterizohet nga faktori i shpërndarjes atomike, i cili luan një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në analizën e strukturës së kristaleve.) Le të zgjidhni në strukturën kristalore një zinxhir linear atomesh të vendosura në të njëjtën distancë nga njëri-tjetri dhe merrni parasysh modelin e tyre të difraksionit. Tashmë është vërejtur se spektri i rrezeve X përbëhet nga një pjesë e vazhdueshme ("vazhdimësi") dhe një grup vijash më intensive karakteristike për elementin që është materiali i anodës. Le të themi se kemi filtruar spektrin e vazhdueshëm dhe kemi marrë një rreze pothuajse monokromatike me rreze X të drejtuar në zinxhirin tonë linear të atomeve. Kushti i amplifikimit (ndërhyrja amplifikuese) plotësohet nëse diferenca e rrugës së valëve të shpërndara nga atomet fqinje është një shumëfish i gjatësisë së valës. Nëse rrezja bie në një kënd a0 me një vijë atomesh të ndarë me intervale a (periudha), atëherë për këndin e difraksionit a diferenca e rrugës që korrespondon me fitimin do të shkruhet si a(cos a - cosa0) = hl, ku l është gjatësia e valës dhe h është numër i plotë (Fig. 4 dhe 5).
Për të shtrirë këtë qasje në një kristal tredimensional, është e nevojshme vetëm të zgjidhni rreshtat e atomeve në dy drejtime të tjera në kristal dhe të zgjidhni tre ekuacionet e marra së bashku për tre boshte kristalesh me periudha a, b dhe c. Dy ekuacionet e tjera janë
Këto janë tre ekuacionet themelore Laue për difraksionin me rreze X, me numrat h, k dhe c që janë indekset e Millerit për rrafshin e difraksionit.
Shiko gjithashtu KRISTALET DHE KRISTALOGRAFIA. Duke marrë parasysh cilindo nga ekuacionet Laue, për shembull të parën, mund të vërehet se meqenëse a, a0, l janë konstante dhe h = 0, 1, 2, ..., zgjidhja e tij mund të përfaqësohet si një grup konesh me një bosht i përbashkët a (Fig. 5). E njëjta gjë vlen edhe për drejtimet b dhe c. Në rastin e përgjithshëm të shpërndarjes tredimensionale (difraksioni), të tre ekuacionet Laue duhet të kenë një zgjidhje të përbashkët, d.m.th. tre kone difraksioni të vendosura në secilin prej akseve duhet të kryqëzohen; vija e përbashkët e kryqëzimit është paraqitur në fig. 6. Zgjidhja e përbashkët e ekuacioneve çon në ligjin Bragg-Wulf:
l = 2(d/n)sinq, ku d është distanca ndërmjet planeve me indekse h, k dhe c (periudha), n = 1, 2, ... janë numra të plotë (rendi i difraksionit), dhe q është këndi i formuar nga rrezja rënëse (si dhe difraksioni) me rrafshin e kristalit në të cilin ndodh difraksioni. Duke analizuar ekuacionin e ligjit Bragg - Wolfe për një kristal të vetëm të vendosur në rrugën e një rrezeje monokromatike me rreze X, mund të konkludojmë se difraksioni nuk është i lehtë për t'u vëzhguar, sepse l dhe q janë fikse, dhe sinq METODAT E ANALIZËS SË DIFFRAKSIONIT
Metoda laue. Metoda Laue përdor një spektër të vazhdueshëm "të bardhë" të rrezeve X, i cili drejtohet në një kristal të palëvizshëm. Për një vlerë specifike të periudhës d, gjatësia e valës që korrespondon me kushtin Bragg-Wulf zgjidhet automatikisht nga i gjithë spektri. Modelet Laue të përftuara në këtë mënyrë bëjnë të mundur gjykimin e drejtimeve të trarëve të difraktuar dhe, rrjedhimisht, orientimeve të planeve kristalore, gjë që bën të mundur edhe nxjerrjen e përfundimeve të rëndësishme për simetrinë, orientimin e kristalit dhe praninë. të defekteve në të. Megjithatë, në këtë rast, informacioni për periudhën hapësinore d humbet. Në fig. 7 tregon një shembull të një Lauegram. Filmi i rrezeve X ishte vendosur në anën e kristalit përballë asaj në të cilën rrezja e rrezeve X u përplas nga burimi.
Metoda Debye-Scherrer (për mostrat polikristaline). Ndryshe nga metoda e mëparshme, rrezatimi monokromatik (l = konst) përdoret këtu, dhe këndi q ndryshon. Kjo arrihet duke përdorur një kampion polikristalor të përbërë nga kristalitë të shumtë të vegjël me orientim të rastësishëm, ndër të cilët ka nga ata që plotësojnë kushtin Bragg-Wulf. Trarët e difraktuara formojnë kone, boshti i të cilave drejtohet përgjatë rrezes së rrezeve X. Për imazhe, një rrip i ngushtë filmi me rreze X zakonisht përdoret në një kasetë cilindrike dhe rrezet X përhapen përgjatë diametrit përmes vrimave në film. Debyegrami i përftuar në këtë mënyrë (Fig. 8) përmban informacion të saktë për periudhën d, d.m.th. për strukturën e kristalit, por nuk jep informacionin që përmban Lauegrami. Prandaj, të dyja metodat plotësojnë njëra-tjetrën. Le të shqyrtojmë disa aplikime të metodës Debye-Scherrer.
Identifikimi i elementeve dhe komponimeve kimike. Nga këndi q i përcaktuar nga Debyegrami, mund të llogaritet karakteristika e distancës ndërplanare d të një elementi ose përbërjeje të caktuar. Aktualisht, janë përpiluar shumë tabela të vlerave d, të cilat bëjnë të mundur identifikimin jo vetëm të një ose një tjetër elementi ose përbërjeje kimike, por edhe gjendje të ndryshme fazore të së njëjtës substancë, e cila jo gjithmonë jep një analizë kimike. Gjithashtu është e mundur të përcaktohet me saktësi të lartë përmbajtja e përbërësit të dytë në lidhjet zëvendësuese nga varësia e periudhës d nga përqendrimi.
Analiza e stresit. Nga diferenca e matur në hapësirat ndërplanare për drejtime të ndryshme në kristale, duke ditur modulin elastik të materialit, është e mundur të llogariten sforcimet e vogla në të me saktësi të lartë.
Studime të orientimit preferencial në kristale. Nëse kristalitët e vegjël në një kampion polikristalor nuk janë plotësisht të orientuar rastësisht, atëherë unazat në Debyegram do të kenë intensitet të ndryshëm. Në prani të një orientimi të theksuar të preferuar, maksimumi i intensitetit përqendrohet në pika të veçanta në imazh, i cili bëhet i ngjashëm me imazhin për një kristal të vetëm. Për shembull, gjatë rrotullimit të thellë të ftohtë, një fletë metalike fiton një strukturë - një orientim të theksuar të kristaliteve. Sipas debaygramit, mund të gjykohet natyra e punës së ftohtë të materialit.
Studimi i madhësive të kokrrave. Nëse madhësia e kokrrizave të polikristalit është më shumë se 10-3 cm, atëherë linjat në Debyegram do të përbëhen nga pika të veçanta, pasi në këtë rast numri i kristaliteve nuk është i mjaftueshëm për të mbuluar të gjithë gamën e vlerave të këndeve. q. Nëse madhësia e kristalitit është më e vogël se 10-5 cm, atëherë linjat e difraksionit bëhen më të gjera. Gjerësia e tyre është në përpjesëtim të zhdrejtë me madhësinë e kristaliteve. Zgjerimi ndodh për të njëjtën arsye që zvogëlimi i numrit të çarjeve zvogëlon rezolucionin e një grilë difraksioni. Rrezatimi me rreze X bën të mundur përcaktimin e madhësive të kokrrizave në intervalin 10-7-10-6 cm.
Metodat për kristalet e vetme. Në mënyrë që difraksioni nga një kristal të sigurojë informacion jo vetëm për periudhën hapësinore, por edhe për orientimin e secilit grup të planeve difraktuese, përdoren metodat e një kristali të vetëm rrotullues. Një rreze monokromatike me rreze X bie mbi kristal. Kristali rrotullohet rreth boshtit kryesor, për të cilin plotësohen ekuacionet Laue. Në këtë rast, këndi q, i cili përfshihet në formulën Bragg-Wulf, ndryshon. Maksimat e difraksionit janë të vendosura në kryqëzimin e koneve të difraksionit Laue me sipërfaqen cilindrike të filmit (Fig. 9). Rezultati është një model difraksioni i tipit të paraqitur në Fig. 10. Megjithatë, komplikimet janë të mundshme për shkak të mbivendosjes së rendit të ndryshëm të difraksionit në një pikë. Metoda mund të përmirësohet ndjeshëm nëse, njëkohësisht me rrotullimin e kristalit, filmi gjithashtu lëviz në një mënyrë të caktuar.
Studimet e lëngjeve dhe gazeve. Dihet se lëngjet, gazrat dhe trupat amorfë nuk kanë strukturën e duhur kristalore. Por edhe këtu ekziston një lidhje kimike midis atomeve në molekula, për shkak të së cilës distanca midis tyre mbetet pothuajse konstante, megjithëse vetë molekulat janë të orientuara rastësisht në hapësirë. Materialet e tilla japin gjithashtu një model difraksioni me një numër relativisht të vogël maksimumi të njollosur. Përpunimi i një fotografie të tillë me metoda moderne bën të mundur marrjen e informacionit rreth strukturës edhe të materialeve të tilla jo kristalore.
ANALIZA SPEKTROKIMIKE RREZE X
Disa vjet pas zbulimit të rrezeve X, Ch. Barkla (1877-1944) zbuloi se kur një fluks i rrezeve X me energji të lartë vepron mbi një substancë, gjenerohet rrezatimi dytësor i rrezeve X fluoreshente, i cili është karakteristik për elementin. në studim. Menjëherë pas kësaj, G. Moseley, në një seri eksperimentesh të tij, mati gjatësitë e valëve të rrezatimit karakteristik parësor me rreze X të përftuar nga bombardimi elektronik i elementeve të ndryshëm dhe nxori lidhjen midis gjatësisë së valës dhe numrit atomik. Këto eksperimente dhe shpikja e spektrometrit me rreze X nga Bragg, hodhën themelet për analizën spektrokimike me rreze X. Mundësitë e rrezeve X për analiza kimike u njohën menjëherë. U krijuan spektrografë me regjistrim në një pllakë fotografike, në të cilën kampioni në studim shërbente si anodë e një tubi me rreze X. Fatkeqësisht, kjo teknikë doli të ishte shumë e mundimshme, dhe për këtë arsye u përdor vetëm kur metodat e zakonshme të analizës kimike ishin të pazbatueshme. Një shembull i jashtëzakonshëm i kërkimit inovativ në fushën e spektroskopisë analitike me rreze X ishte zbulimi në vitin 1923 nga G. Hevesy dhe D. Coster i një elementi të ri, hafnium. Zhvillimi i tubave me rreze X me fuqi të lartë për radiografi dhe detektorëve të ndjeshëm për matjet radiokimike gjatë Luftës së Dytë Botërore kontribuan në masë të madhe në rritjen e shpejtë të spektrografisë me rreze X në vitet në vijim. Kjo metodë është bërë e përhapur për shkak të shpejtësisë, komoditetit, natyrës jo-shkatërruese të analizës dhe mundësisë së automatizimit të plotë ose të pjesshëm. Është i zbatueshëm në problemet e analizës sasiore dhe cilësore të të gjithë elementëve me numër atomik më të madh se 11 (natriumi). Dhe megjithëse analiza spektrokimike me rreze X zakonisht përdoret për të përcaktuar përbërësit më të rëndësishëm në një kampion (nga 0,1-100%), në disa raste është i përshtatshëm për përqendrime prej 0,005% dhe madje edhe më të ulëta.
Spektrometër me rreze X. Një spektrometër modern me rreze X përbëhet nga tre sisteme kryesore (Fig. 11): sistemet e ngacmimit, d.m.th. tub me rreze x me një anodë të bërë nga tungsten ose material tjetër zjarrdurues dhe një furnizim me energji elektrike; sistemet e analizës, d.m.th. një kristal analizues me dy kolimatorë me shumë çarje, si dhe një spektrogoniometër për rregullim të imët; dhe sistemet e regjistrimit me një numërues Geiger ose proporcional ose shintilues, si dhe një ndreqës, përforcues, numërues dhe një regjistrues grafiku ose pajisje tjetër regjistrimi.
Analiza fluoreshente me rreze X. Mostra e analizuar ndodhet në shtegun e rrezeve X emocionuese. Rajoni i kampionit që do të ekzaminohet zakonisht izolohet nga një maskë me një vrimë të diametrit të dëshiruar dhe rrezatimi kalon përmes një kolimatori që formon një rreze paralele. Pas kristalit të analizuesit, një kolimator i çarë lëshon rrezatim të difraktuar për detektorin. Zakonisht, këndi maksimal q kufizohet në 80-85°, kështu që vetëm rrezet X, gjatësia e valës së të cilave l lidhet me distancën ndërplanare d nga pabarazia l, mund të difraktohen në kristalin e analizuesit. Mikroanaliza me rreze X. Spektometri kristal i analizuesit të sheshtë i përshkruar më sipër mund të përshtatet për mikroanalizë. Kjo arrihet duke shtrënguar ose rrezen primare të rrezeve X ose rrezen dytësore të emetuar nga kampioni. Sidoqoftë, një rënie në madhësinë efektive të kampionit ose hapjen e rrezatimit çon në një ulje të intensitetit të rrezatimit të difraktuar të regjistruar. Një përmirësim i kësaj metode mund të arrihet duke përdorur një spektrometër kristal të lakuar, i cili bën të mundur regjistrimin e një koni të rrezatimit divergjent, dhe jo vetëm rrezatimi paralel me boshtin e kolimatorit. Me një spektrometër të tillë, mund të identifikohen grimcat më të vogla se 25 µm. Një reduktim edhe më i madh në madhësinë e kampionit të analizuar arrihet në mikroanalizuesin e sondës elektronike me rreze X të shpikur nga R. Kasten. Këtu, emetimi karakteristik i rrezeve X të kampionit ngacmohet nga një rreze elektronike shumë e fokusuar, e cila më pas analizohet nga një spektrometër kristal i përkulur. Duke përdorur një pajisje të tillë, është e mundur të zbulohen sasi të një substance të rendit 10-14 g në një kampion me diametër 1 μm. Janë zhvilluar gjithashtu instalime me skanim me rreze elektronike të kampionit, me ndihmën e të cilave është e mundur të merret një model dydimensional i shpërndarjes mbi kampionin e elementit rrezatimi karakteristik i të cilit është akorduar në spektrometri.
DIAGNOZA MJEKËSORE RREZE X
Zhvillimi i teknologjisë me rreze x ka reduktuar ndjeshëm kohën e ekspozimit dhe ka përmirësuar cilësinë e imazheve, duke lejuar studimin edhe të indeve të buta.
Fluorografia. Kjo metodë diagnostike konsiston në fotografimin e një imazhi hije nga një ekran i tejdukshëm. Pacienti vendoset midis një burimi me rreze x dhe një ekrani të sheshtë fosfori (zakonisht jodidi i ceziumit), i cili shkëlqen kur ekspozohet ndaj rrezeve x. Indet biologjike të shkallëve të ndryshme të densitetit krijojnë hije të rrezatimit me rreze X me shkallë të ndryshme intensiteti. Një radiolog ekzaminon një imazh hije në një ekran fluoreshente dhe bën një diagnozë. Në të kaluarën, një radiolog mbështetej në vizionin për të analizuar një imazh. Tani ka sisteme të ndryshme që përforcojnë imazhin, e shfaqin atë në një ekran televiziv ose regjistrojnë të dhëna në kujtesën e kompjuterit.
Radiografia. Regjistrimi i një imazhi me rreze x direkt në film fotografik quhet radiografi. Në këtë rast, organi në studim ndodhet midis burimit të rrezeve X dhe filmit, i cili kap informacion për gjendjen e organit në një kohë të caktuar. Radiografia e përsëritur bën të mundur gjykimin e evolucionit të saj të mëtejshëm. Radiografia ju lejon të ekzaminoni me shumë saktësi integritetin e indit kockor, i cili përbëhet kryesisht nga kalciumi dhe është i errët ndaj rrezeve X, si dhe këputjet e indeve të muskujve. Me ndihmën e tij, më mirë se stetoskopi apo dëgjimi, analizohet gjendja e mushkërive në rast të inflamacionit, tuberkulozit apo pranisë së lëngjeve. Me ndihmën e radiografisë përcaktohen madhësia dhe forma e zemrës, si dhe dinamika e ndryshimeve të saj te pacientët që vuajnë nga sëmundjet e zemrës.
agjentë kontrasti. Pjesët e trupit dhe zgavrat e organeve individuale që janë transparente ndaj rrezatimit me rreze X bëhen të dukshme nëse ato janë të mbushura me një agjent kontrasti që është i padëmshëm për trupin, por që ju lejon të vizualizoni formën e organeve të brendshme dhe të kontrolloni funksionimin e tyre. Pacienti ose merr agjentë kontrasti nga goja (si kripërat e bariumit në studimin e traktit gastrointestinal), ose ato administrohen në mënyrë intravenoze (si solucionet që përmbajnë jod në studimin e veshkave dhe traktit urinar). Megjithatë, vitet e fundit, këto metoda janë zëvendësuar me metoda diagnostikuese të bazuara në përdorimin e atomeve radioaktive dhe ultratingujve.
CT skanim. Në vitet 1970, u zhvillua një metodë e re e diagnostikimit me rreze X, e bazuar në një fotografi të plotë të trupit ose pjesëve të tij. Imazhet e shtresave të holla ("feta") përpunohen nga një kompjuter dhe imazhi përfundimtar shfaqet në ekranin e monitorit. Kjo metodë quhet tomografi e kompjuterizuar me rreze x. Përdoret gjerësisht në mjekësinë moderne për diagnostikimin e infiltrateve, tumoreve dhe çrregullimeve të tjera të trurit, si dhe për diagnostikimin e sëmundjeve të indeve të buta brenda trupit. Kjo teknikë nuk kërkon futjen e agjentëve të huaj kontrasti dhe për këtë arsye është më e shpejtë dhe më efektive se teknikat tradicionale.
VEPRIMI BIOLOGJIK I RREZATIMIT ME RREZE X
Efekti i dëmshëm biologjik i rrezatimit me rreze X u zbulua menjëherë pas zbulimit të tij nga Roentgen. Doli se rrezatimi i ri mund të shkaktojë diçka si një djegie të rëndë nga dielli (eritemë), e shoqëruar, megjithatë, me dëmtim më të thellë dhe më të përhershëm të lëkurës. Ulcerat e shfaqura shpesh kthehen në kancer. Në shumë raste duheshin amputuar gishtat ose duart. Pati edhe vdekje. Është zbuluar se dëmtimi i lëkurës mund të shmanget duke reduktuar kohën dhe dozën e ekspozimit, duke përdorur mbrojtëse (p.sh. plumb) dhe telekomandë. Por gradualisht u zbuluan efekte të tjera, më afatgjata të ekspozimit me rreze X, të cilat më pas u konfirmuan dhe u studiuan në kafshë eksperimentale. Efektet për shkak të veprimit të rrezeve X, si dhe rrezatimeve të tjera jonizuese (si rrezatimi gama i emetuar nga materialet radioaktive) përfshijnë: 1) ndryshime të përkohshme në përbërjen e gjakut pas një ekspozimi relativisht të vogël të tepërt; 2) ndryshime të pakthyeshme në përbërjen e gjakut (anemi hemolitike) pas ekspozimit të zgjatur të tepërt; 3) një rritje në incidencën e kancerit (përfshirë leuçeminë); 4) plakja më e shpejtë dhe vdekja e hershme; 5) shfaqja e kataraktave. Përveç kësaj, eksperimentet biologjike në minj, lepuj dhe miza (Drosophila) kanë treguar se edhe doza të vogla të rrezatimit sistematik të popullatave të mëdha, për shkak të rritjes së shkallës së mutacionit, çojnë në efekte të dëmshme gjenetike. Shumica e gjenetistëve e njohin zbatueshmërinë e këtyre të dhënave në trupin e njeriut. Sa i përket efektit biologjik të rrezatimit me rreze X në trupin e njeriut, ai përcaktohet nga niveli i dozës së rrezatimit, si dhe nga cili organ i veçantë i trupit ishte i ekspozuar ndaj rrezatimit. Kështu, për shembull, sëmundjet e gjakut shkaktohen nga rrezatimi i organeve hematopoietike, kryesisht palca e eshtrave, dhe pasojat gjenetike - nga rrezatimi i organeve gjenitale, që mund të çojë edhe në sterilitet. Akumulimi i njohurive për efektet e rrezatimit me rreze X në trupin e njeriut ka çuar në zhvillimin e standardeve kombëtare dhe ndërkombëtare për dozat e lejuara të rrezatimit, të publikuara në botime të ndryshme referente. Përveç rrezeve X, të cilat përdoren qëllimisht nga njerëzit, ekziston edhe i ashtuquajturi rrezatim i shpërndarë, anësor që ndodh për arsye të ndryshme, për shembull, për shkak të shpërndarjes për shkak të papërsosmërisë së ekranit mbrojtës të plumbit, i cili nuk thithin plotësisht këtë rrezatim. Përveç kësaj, shumë pajisje elektrike që nuk janë të dizajnuara për të prodhuar rreze X megjithatë gjenerojnë rreze X si nënprodukt. Pajisjet e tilla përfshijnë mikroskopët elektronikë, llambat ndreqëse të tensionit të lartë (kenotrons), si dhe kineskopët e televizorëve me ngjyra të vjetruara. Prodhimi i kineskopëve me ngjyra moderne në shumë vende është tani nën kontrollin e qeverisë.
FAKTORËT E RREZIKSHËM TË RREZATIMIT TË RREZEVE X
Llojet dhe shkalla e rrezikut të ekspozimit ndaj rrezeve X për njerëzit varen nga kontigjenti i njerëzve të ekspozuar ndaj rrezatimit.
Profesionistë që punojnë me pajisje me rreze x. Kjo kategori përfshin radiologë, stomatologë, si dhe punonjës shkencorë dhe teknikë dhe personel që mirëmbajnë dhe përdorin pajisjet me rreze X. Po merren masa efektive për të ulur nivelet e rrezatimit me të cilët duhet të përballen.
Pacientët. Këtu nuk ka kritere strikte, dhe niveli i sigurt i rrezatimit që pacientët marrin gjatë trajtimit përcaktohet nga mjekët që marrin pjesë. Mjekët këshillohen që të mos i ekspozojnë pa nevojë pacientët ndaj rrezeve X. Kujdes i veçantë duhet treguar gjatë ekzaminimit të grave shtatzëna dhe fëmijëve. Në këtë rast merren masa të veçanta.
Metodat e kontrollit. Ka tre aspekte për këtë:
1) disponueshmëria e pajisjeve adekuate, 2) zbatimi i rregullave të sigurisë, 3) përdorimi i duhur i pajisjeve. Në një ekzaminim me rreze X, vetëm zona e dëshiruar duhet të ekspozohet ndaj rrezatimit, qofshin ekzaminime dentare ose ekzaminime të mushkërive. Vini re se menjëherë pas fikjes së aparatit me rreze X, rrezatimi primar dhe sekondar zhduken; gjithashtu nuk ka rrezatim të mbetur, i cili nuk është gjithmonë i njohur edhe për ata që janë të lidhur drejtpërdrejt me të në punën e tyre.
Shiko gjithashtu
STRUKTURA E ATOMIT;
Rrezet X u zbuluan rastësisht në 1895 nga fizikani i famshëm gjerman Wilhelm Roentgen. Ai studioi rrezet katodike në një tub shkarkimi gazi me presion të ulët me një tension të lartë midis elektrodave të tij. Përkundër faktit se tubi ishte në një kuti të zezë, Roentgen vuri re se një ekran fluoreshent, që ndodhej aty pranë, shkëlqente sa herë që tubi ishte në punë. Tubi doli të ishte një burim rrezatimi që mund të depërtonte në letër, dru, xhami dhe madje edhe një pllakë alumini gjysmë centimetri të trashë.
Rrezet X përcaktoi që tubi i shkarkimit të gazit është një burim i një lloji të ri rrezatimi të padukshëm me një fuqi të lartë depërtuese. Shkencëtari nuk mundi të përcaktojë nëse ky rrezatim ishte një rrymë grimcash apo valësh, dhe ai vendosi t'i jepte emrin rreze X. Më vonë u quajtën rreze X.
Tani dihet se rrezet X janë një formë e rrezatimit elektromagnetik që ka një gjatësi vale më të shkurtër se valët elektromagnetike ultravjollcë. Gjatësia e valës së rrezeve X varion nga 70 nm deri në 10 -5 nm. Sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës së rrezeve X, aq më e madhe është energjia e fotoneve të tyre dhe aq më e madhe është fuqia depërtuese. Rrezet X me një gjatësi vale relativisht të gjatë (më shumë se 10 nm), quhen i butë. Gjatësia e valës 1 - 10 nm karakterizon i ashpër rrezet X. Ata kanë fuqi të madhe depërtuese.
Marrja e rrezeve X
Rrezet X prodhohen kur elektronet e shpejta, ose rrezet katodike, përplasen me muret ose anodën e një tubi shkarkimi me presion të ulët. Një tub modern me rreze X është një enë qelqi e evakuuar me një katodë dhe një anodë të vendosura në të. Diferenca e mundshme midis katodës dhe anodës (antikatodës) arrin disa qindra kilovolt. Katoda është një filament tungsteni i ndezur nga një rrymë elektrike. Kjo çon në emetimin e elektroneve nga katoda si rezultat i emetimit termionik. Elektronet përshpejtohen nga një fushë elektrike në një tub me rreze x. Meqenëse ka një numër shumë të vogël të molekulave të gazit në tub, elektronet praktikisht nuk e humbin energjinë e tyre në rrugën e tyre për në anodë. Ata arrijnë në anodë me një shpejtësi shumë të madhe.
Rrezet X prodhohen gjithmonë kur elektronet me shpejtësi të lartë vonohen nga materiali i anodës. Shumica e energjisë së elektronit shpërndahet si nxehtësi. Prandaj, anoda duhet të ftohet artificialisht. Anoda në tubin e rrezeve X duhet të jetë prej një metali që ka një pikë të lartë shkrirjeje, siç është tungsteni.
Një pjesë e energjisë që nuk shpërndahet në formën e nxehtësisë shndërrohet në energji të valës elektromagnetike (rrezet X). Kështu, rrezet X janë rezultat i bombardimit elektronik të materialit anodë. Ekzistojnë dy lloje të rrezeve X: bremsstrahlung dhe karakteristike.
Bremsstrahlung me rreze X
Bremsstrahlung ndodh kur elektronet që lëvizin me shpejtësi të lartë ngadalësohen nga fushat elektrike të atomeve të anodës. Kushtet e ngadalësimit të elektroneve individuale nuk janë të njëjta. Si rezultat, pjesë të ndryshme të energjisë së tyre kinetike kalojnë në energjinë e rrezeve X.
Spektri bremsstrahlung është i pavarur nga natyra e materialit të anodës. Siç e dini, energjia e fotoneve me rreze X përcakton frekuencën dhe gjatësinë e valës së tyre. Prandaj, rrezet X bremsstrahlung nuk janë monokromatike. Karakterizohet nga një shumëllojshmëri e gjatësive valore që mund të përfaqësohen spektër i vazhdueshëm (i vazhdueshëm).
Rrezet X nuk mund të kenë një energji më të madhe se energjia kinetike e elektroneve që i formojnë ato. Gjatësia më e shkurtër e valës së rrezeve X korrespondon me energjinë maksimale kinetike të elektroneve ngadalësuese. Sa më i madh të jetë diferenca potenciale në tubin me rreze x, aq më të vogla mund të përftohen gjatësitë e valëve të rrezeve x.
Rrezet X karakteristike
Rrezatimi karakteristik me rreze X nuk është i vazhdueshëm, por spektri i linjës. Ky lloj rrezatimi ndodh kur një elektron i shpejtë, me të arritur në anodë, hyn në orbitalet e brendshme të atomeve dhe rrëzon një nga elektronet e tyre. Si rezultat, shfaqet një hapësirë e lirë, e cila mund të mbushet nga një elektron tjetër që zbret nga një prej orbitaleve të sipërme atomike. Ky kalim i një elektroni nga një nivel energjie më i lartë në një nivel më të ulët shkakton rreze x me një gjatësi vale të caktuar diskrete. Prandaj, rrezatimi me rreze X karakteristik ka spektri i linjës. Frekuenca e linjave karakteristike të rrezatimit varet tërësisht nga struktura e orbitaleve elektronike të atomeve të anodës.
Vijat spektrale të rrezatimit karakteristik të elementeve të ndryshëm kimikë kanë të njëjtën formë, pasi struktura e orbitave të tyre të brendshme të elektroneve është identike. Por gjatësia e valës dhe frekuenca e tyre janë për shkak të ndryshimeve të energjisë midis orbitaleve të brendshme të atomeve të rënda dhe të lehta.
Frekuenca e linjave të spektrit karakteristik të rrezeve X ndryshon në përputhje me numrin atomik të metalit dhe përcaktohet nga ekuacioni Moseley: v 1/2 = A(Z-B), ku Z- numri atomik i një elementi kimik, A dhe B- konstante.
Mekanizmat fizikë parësorë të ndërveprimit të rrezeve X me lëndën
Ndërveprimi primar midis rrezeve X dhe materies karakterizohet nga tre mekanizma:
1. Shpërndarje koherente. Kjo formë e ndërveprimit ndodh kur fotonet e rrezeve X kanë më pak energji sesa energjia e lidhjes së elektroneve në bërthamën e një atomi. Në këtë rast, energjia e fotonit nuk është e mjaftueshme për të lëshuar elektrone nga atomet e materies. Fotoni nuk absorbohet nga atomi, por ndryshon drejtimin e përhapjes. Në këtë rast, gjatësia e valës së rrezatimit me rreze X mbetet e pandryshuar.
2. Efekti fotoelektrik (efekti fotoelektrik). Kur një foton me rreze X arrin një atom të materies, ai mund të rrëzojë një nga elektronet. Kjo ndodh kur energjia e fotonit tejkalon energjinë e lidhjes së elektronit me bërthamën. Në këtë rast, fotoni absorbohet dhe elektroni lirohet nga atomi. Nëse një foton mbart më shumë energji sesa nevojitet për të lëshuar një elektron, ai do të transferojë energjinë e mbetur tek elektroni i lëshuar në formën e energjisë kinetike. Ky fenomen, i quajtur efekti fotoelektrik, ndodh kur thithen rrezet X me energji relativisht të ulët.
Një atom që humbet një nga elektronet e tij bëhet një jon pozitiv. Jetëgjatësia e elektroneve të lira është shumë e shkurtër. Ato përthithen nga atomet neutrale, të cilat kthehen në jone negative. Rezultati i efektit fotoelektrik është jonizimi intensiv i materies.
Nëse energjia e një fotoni me rreze X është më e vogël se energjia e jonizimit të atomeve, atëherë atomet kalojnë në një gjendje të ngacmuar, por nuk jonizohen.
3. Shpërndarja jokoherente (efekti Compton). Ky efekt u zbulua nga fizikani amerikan Compton. Ndodh kur një substancë thith rrezet X me gjatësi vale të vogël. Energjia e fotonit të rrezeve të tilla X është gjithmonë më e madhe se energjia e jonizimit të atomeve të substancës. Efekti Compton është rezultat i ndërveprimit të një fotoni me rreze X me energji të lartë me një nga elektronet në shtresën e jashtme të një atomi, i cili ka një lidhje relativisht të dobët me bërthamën atomike.
Një foton me energji të lartë transferon një pjesë të energjisë së tij tek elektroni. Elektroni i ngacmuar lirohet nga atomi. Pjesa tjetër e energjisë së fotonit origjinal emetohet si një foton me rreze X me një gjatësi vale më të gjatë në një kënd në drejtim të fotonit primar. Një foton dytësor mund të jonizojë një atom tjetër, e kështu me radhë. Këto ndryshime në drejtimin dhe gjatësinë valore të rrezeve X njihen si efekti Compton.
Disa efekte të ndërveprimit të rrezeve X me lëndën
Siç u përmend më lart, rrezet X janë në gjendje të ngacmojnë atomet dhe molekulat e materies. Kjo mund të shkaktojë fluoreshencë të disa substancave (p.sh. sulfat zinku). Nëse një rreze paralele e rrezeve x drejtohet në objekte të errëta, atëherë rrezet mund të vërehen të kalojnë nëpër objekt duke vendosur një ekran të veshur me një substancë fluoreshente.
Ekrani fluoreshent mund të zëvendësohet me film fotografik. Rrezet X kanë të njëjtin efekt në emulsionin fotografik si drita. Të dyja metodat përdoren në mjekësinë praktike.
Një efekt tjetër i rëndësishëm i rrezeve X është aftësia e tyre jonizuese. Kjo varet nga gjatësia e valës dhe energjia e tyre. Ky efekt ofron një metodë për matjen e intensitetit të rrezeve X. Kur rrezet X kalojnë nëpër dhomën e jonizimit, gjenerohet një rrymë elektrike, madhësia e së cilës është proporcionale me intensitetin e rrezeve X.
Thithja e rrezeve X nga materia
Kur rrezet X kalojnë nëpër materie, energjia e tyre zvogëlohet për shkak të përthithjes dhe shpërndarjes. Dobësimi i intensitetit të një rrezeje paralele të rrezeve X që kalon nëpër një substancë përcaktohet nga ligji i Bouguer: I = I0 e -μd, ku Unë 0- intensiteti fillestar i rrezatimit me rreze X; Unëështë intensiteti i rrezeve X që kalojnë nëpër shtresën e materies, d- trashësia e shtresës thithëse , μ - koeficienti linear i dobësimit. Është e barabartë me shumën e dy sasive: t- koeficienti linear i përthithjes dhe σ - koeficienti linear i shpërndarjes: μ = τ+ σ
Në eksperimente, u zbulua se koeficienti linear i përthithjes varet nga numri atomik i substancës dhe gjatësia e valës së rrezeve X:
τ = kρZ 3 λ 3, ku k- koeficienti i proporcionalitetit të drejtpërdrejtë, ρ - dendësia e substancës, Zështë numri atomik i elementit, λ është gjatësia valore e rrezeve X.
Varësia nga Z është shumë e rëndësishme nga pikëpamja praktike. Për shembull, koeficienti i përthithjes së kockave, të cilat përbëhen nga fosfati i kalciumit, është pothuajse 150 herë më i lartë se koeficienti i përthithjes së indeve të buta. Z=20 për kalciumin dhe Z=15 për fosforin). Kur rrezet X kalojnë nëpër trupin e njeriut, kockat dalin qartë në sfondin e muskujve, indit lidhës etj.
Dihet se organet e tretjes kanë të njëjtin koeficient absorbimi si indet e tjera të buta. Por hija e ezofagut, stomakut dhe zorrëve mund të dallohet nëse pacienti gëlltitet një agjent kontrasti - sulfat barium ( Z= 56 për bariumin). Sulfati i bariumit është shumë i errët ndaj rrezeve X dhe shpesh përdoret për ekzaminimet me rreze X të traktit gastrointestinal. Disa përzierje të errëta injektohen në qarkullimin e gjakut për të ekzaminuar gjendjen e enëve të gjakut, veshkave dhe të ngjashme. Në këtë rast, jodi përdoret si agjent kontrasti, numri atomik i të cilit është 53.
Varësia e përthithjes së rrezeve X nga Z përdoret gjithashtu për të mbrojtur kundër efekteve të mundshme të dëmshme të rrezeve X. Për këtë qëllim, përdoret plumbi, vlera Z për të cilën është 82.
Përdorimi i rrezeve X në mjekësi
Arsyeja e përdorimit të rrezeve X në diagnostikim ishte fuqia e tyre e lartë depërtuese, një nga Karakteristikat e rrezeve X. Në ditët e para të zbulimit, rrezet X u përdorën kryesisht për të ekzaminuar frakturat e kockave dhe për të gjetur trupa të huaj (si plumbat) në trupin e njeriut. Aktualisht, përdoren disa metoda diagnostikuese duke përdorur rreze X (diagnostika me rreze X).
Fluoroskopia . Një pajisje me rreze X përbëhet nga një burim i rrezeve X (tub me rreze X) dhe një ekran fluoreshent. Pasi rrezet X kalojnë nëpër trupin e pacientit, mjeku vëzhgon një imazh hije të pacientit. Një dritare plumbi duhet të vendoset midis ekranit dhe syve të mjekut për të mbrojtur mjekun nga efektet e dëmshme të rrezeve X. Kjo metodë bën të mundur studimin e gjendjes funksionale të disa organeve. Për shembull, një mjek mund të vëzhgojë drejtpërdrejt lëvizjet e mushkërive, kalimin e një agjenti kontrasti përmes traktit gastrointestinal. Disavantazhet e kësaj metode janë imazhet e pamjaftueshme të kontrastit dhe doza relativisht të larta të rrezatimit të marra nga pacienti gjatë procedurës.
Fluorografia . Kjo metodë konsiston në marrjen e një fotografie të një pjese të trupit të pacientit. Ato përdoren, si rregull, për një studim paraprak të gjendjes së organeve të brendshme të pacientëve që përdorin doza të ulëta të rrezeve X.
Radiografia. (Radiografia me rreze X). Kjo është një metodë kërkimi duke përdorur rreze x, gjatë së cilës imazhi regjistrohet në film fotografik. Fotografitë zakonisht bëhen në dy plane pingul. Kjo metodë ka disa përparësi. Fotografitë me rreze X përmbajnë më shumë detaje sesa një imazh në një ekran fluoreshente, dhe për këtë arsye ato janë më informuese. Ato mund të ruhen për analiza të mëtejshme. Doza totale e rrezatimit është më e vogël se ajo e përdorur në fluoroskopi.
Tomografia e kompjuterizuar me rreze X . Skaneri tomografik aksial i kompjuterizuar është pajisja më moderne diagnostikuese me rreze X që ju lejon të merrni një imazh të qartë të çdo pjese të trupit të njeriut, duke përfshirë indet e buta të organeve.
Gjenerata e parë e skanerëve të tomografisë së kompjuterizuar (CT) përfshin një tub të veçantë me rreze X që është ngjitur në një kornizë cilindrike. Një tufë e hollë e rrezeve X i drejtohet pacientit. Dy detektorë me rreze X janë ngjitur në anën e kundërt të kornizës. Pacienti është në qendër të kornizës, e cila mund të rrotullohet 180 0 rreth trupit të tij.
Një rreze x kalon nëpër një objekt të palëvizshëm. Detektorët marrin dhe regjistrojnë vlerat e absorbimit të indeve të ndryshme. Regjistrimet bëhen 160 herë ndërsa tubi i rrezeve X lëviz në mënyrë lineare përgjatë planit të skanuar. Më pas korniza rrotullohet me 1 0 dhe procedura përsëritet. Regjistrimi vazhdon derisa korniza të rrotullohet 180 0 . Çdo detektor regjistron 28800 korniza (180x160) gjatë studimit. Informacioni përpunohet nga një kompjuter dhe një imazh i shtresës së zgjedhur formohet me anë të një programi të veçantë kompjuterik.
Gjenerata e dytë e CT përdor rreze të shumta me rreze X dhe deri në 30 detektorë me rreze X. Kjo bën të mundur përshpejtimin e procesit të kërkimit deri në 18 sekonda.
Gjenerata e tretë e CT përdor një parim të ri. Një rreze e gjerë rrezesh X në formën e një ventilatori mbulon objektin në studim dhe rrezatimi me rreze X që ka kaluar nëpër trup regjistrohet nga disa qindra detektorë. Koha e nevojshme për hulumtim reduktohet në 5-6 sekonda.
CT ka shumë përparësi ndaj metodave të mëparshme të diagnostikimit me rreze X. Karakterizohet nga rezolucion i lartë, i cili bën të mundur dallimin e ndryshimeve delikate në indet e buta. CT lejon zbulimin e proceseve të tilla patologjike që nuk mund të zbulohen me metoda të tjera. Përveç kësaj, përdorimi i CT bën të mundur uljen e dozës së rrezatimit me rreze X të marrë nga pacientët gjatë procesit diagnostik.
Rrezet X luajnë një nga rolet më të rëndësishme në studimin dhe përdorimin praktik të fenomeneve atomike. Falë kërkimeve të tyre u bënë shumë zbulime dhe u zhvilluan metoda për analizimin e substancave, të cilat përdoren në fusha të ndryshme. Këtu do të shqyrtojmë një nga llojet e rrezeve X - rrezet X karakteristike.
Natyra dhe vetitë e rrezeve X
Rrezatimi me rreze X është një ndryshim me frekuencë të lartë në gjendjen e një fushe elektromagnetike që përhapet në hapësirë me një shpejtësi prej rreth 300,000 km / s, domethënë valë elektromagnetike. Në shkallën e gamës së rrezatimit elektromagnetik, rrezet X janë të vendosura në intervalin e gjatësisë së valës nga afërsisht 10 -8 deri në 5∙10 -12 metra, që është disa renditje të madhësisë më të shkurtër se valët optike. Kjo korrespondon me frekuencat nga 3∙10 16 deri në 6∙10 19 Hz dhe energjitë nga 10 eV në 250 keV, ose 1.6∙10 -18 deri në 4∙10 -14 J. Duhet të theksohet se kufijtë e diapazoneve të frekuencave të Rrezatimi elektromagnetik është mjaft konvencional për shkak të mbivendosjes së tyre.
Është bashkëveprimi i grimcave të ngarkuara të përshpejtuara (elektroneve me energji të lartë) me fushat elektrike dhe magnetike dhe me atomet e materies.
Fotonet e rrezeve X karakterizohen nga energji të larta dhe fuqi të lartë depërtuese dhe jonizuese, veçanërisht për rrezet e forta X me gjatësi vale më të vogla se 1 nanometër (10 -9 m).
Rrezet X ndërveprojnë me lëndën, duke jonizuar atomet e saj, në proceset e efektit fotoelektrik (fotoabsorbimi) dhe shpërndarjes jokoherente (Compton). Në fotoabsorbimin, një foton me rreze X, duke u zhytur nga një elektron i një atomi, transferon energji në të. Nëse vlera e tij tejkalon energjinë lidhëse të një elektroni në një atom, atëherë ai largohet nga atomi. Shpërndarja e komptonit është karakteristikë e fotoneve më të forta (energjike) me rreze X. Një pjesë e energjisë së fotonit të përthithur shpenzohet për jonizimin; në këtë rast, në një kënd të caktuar me drejtimin e fotonit primar, lëshohet një sekondar, me një frekuencë më të ulët.
Llojet e rrezatimit me rreze X. Bremsstrahlung
Për të marrë rreze, përdoren shishe qelqi vakum me elektroda të vendosura brenda. Dallimi i potencialit ndërmjet elektrodave duhet të jetë shumë i lartë - deri në qindra kilovolt. Në një katodë tungsteni të ngrohur nga rryma, ndodh emetimi termionik, domethënë, prej tij lëshohen elektrone, të cilat, të përshpejtuara nga diferenca potenciale, bombardojnë anodën. Si rezultat i ndërveprimit të tyre me atomet e anodës (ndonjëherë të quajtur antikatodë), lindin fotone me rreze X.
Në varësi të procesit që çon në lindjen e një fotoni, ekzistojnë lloje të tilla të rrezatimit me rreze X si bremsstrahlung dhe karakteristik.
Elektronet, duke u takuar me anodën, mund të ngadalësohen, domethënë të humbasin energjinë në fushat elektrike të atomeve të saj. Kjo energji emetohet në formën e fotoneve me rreze X. Një rrezatim i tillë quhet bremsstrahlung.
Është e qartë se kushtet e frenimit do të ndryshojnë për elektronet individuale. Kjo do të thotë se sasi të ndryshme të energjisë së tyre kinetike shndërrohen në rreze X. Si rezultat, bremsstrahlung përfshin fotone me frekuenca të ndryshme dhe, në përputhje me rrethanat, gjatësi vale. Prandaj, spektri i tij është i vazhdueshëm (i vazhdueshëm). Ndonjëherë për këtë arsye quhet edhe rreze X "të bardha".
Energjia e fotonit bremsstrahlung nuk mund të kalojë energjinë kinetike të elektronit që e gjeneron atë, kështu që frekuenca maksimale (dhe gjatësia më e vogël e valës) e bremsstrahlung korrespondon me vlerën më të madhe të energjisë kinetike të elektroneve që bien në anodë. Kjo e fundit varet nga diferenca potenciale e aplikuar në elektroda.
Ekziston një lloj tjetër i rrezeve X që vjen nga një proces tjetër. Ky rrezatim quhet karakteristik dhe ne do të ndalemi në të më në detaje.
Sa karakteristike prodhohen rrezet X
Pasi të ketë arritur antikatodën, një elektron i shpejtë mund të depërtojë brenda atomit dhe të rrëzojë çdo elektron nga një prej orbitaleve të poshtme, domethënë, të transferojë në të energjinë e mjaftueshme për të kapërcyer pengesën e mundshme. Megjithatë, nëse ka nivele më të larta energjie të zëna nga elektronet në atom, vendi i liruar nuk do të mbetet bosh.
Duhet mbajtur mend se struktura elektronike e atomit, si çdo sistem energjetik, kërkon të minimizojë energjinë. Vendi vakant i formuar si rezultat i nokautit është i mbushur me një elektron nga një nga nivelet më të larta. Energjia e tij është më e lartë dhe, duke zënë një nivel më të ulët, ajo rrezaton një tepricë në formën e një kuantike rrezatimi karakteristik me rreze X.
Struktura elektronike e një atomi është një grup diskrete i gjendjeve të mundshme energjetike të elektroneve. Prandaj, fotonet me rreze X të emetuara gjatë zëvendësimit të vendeve të lira të elektroneve mund të kenë gjithashtu vetëm vlera të përcaktuara rreptësisht të energjisë, duke reflektuar ndryshimin e nivelit. Si rezultat, rrezatimi karakteristik me rreze X ka një spektër jo të një lloji të vazhdueshëm, por të një lloji të linjës. Një spektër i tillë bën të mundur karakterizimin e substancës së anodës - prandaj emri i këtyre rrezeve. Është pikërisht për shkak të dallimeve spektrale që është e qartë se çfarë nënkuptohet me bremsstrahlung dhe rrezet X karakteristike.
Ndonjëherë energjia e tepërt nuk emetohet nga atomi, por shpenzohet për të rrëzuar elektronin e tretë. Ky proces - i ashtuquajturi efekt Auger - ka më shumë gjasa të ndodhë kur energjia e lidhjes së elektroneve nuk kalon 1 keV. Energjia e elektronit të lëshuar Auger varet nga struktura e niveleve të energjisë së atomit, kështu që spektrat e elektroneve të tilla janë gjithashtu diskrete.
Pamje e përgjithshme e spektrit karakteristik
Linjat e ngushta karakteristike janë të pranishme në modelin spektral të rrezeve X së bashku me një spektër të vazhdueshëm bremsstrahlung. Nëse e paraqesim spektrin si një grafik të intensitetit kundrejt gjatësisë së valës (frekuencës), do të shohim maja të mprehta në vendndodhjet e vijave. Pozicioni i tyre varet nga materiali i anodës. Këto maksimum janë të pranishme në çdo ndryshim potencial - nëse ka rreze X, ka gjithmonë edhe maja. Me rritjen e tensionit në elektrodat e tubit, intensiteti i rrezatimit të vazhdueshëm dhe karakteristik të rrezeve X rritet, por vendndodhja e majave dhe raporti i intensiteteve të tyre nuk ndryshon.
Majat në spektrat e rrezeve X kanë të njëjtën formë pavarësisht nga materiali i antikatodës së rrezatuar nga elektronet, por për materiale të ndryshme ato janë të vendosura në frekuenca të ndryshme, duke u bashkuar në seri sipas afërsisë së vlerave të frekuencës. Midis vetë serive, ndryshimi në frekuenca është shumë më domethënës. Forma e maksimumit nuk varet në asnjë mënyrë nga fakti nëse materiali i anodës përfaqëson një element të pastër kimik ose nëse është një substancë komplekse. Në rastin e fundit, spektrat karakteristikë të rrezeve X të elementëve përbërës të tij thjesht mbivendosen mbi njëri-tjetrin.
Me një rritje të numrit atomik të një elementi kimik, të gjitha linjat e spektrit të tij të rrezeve X zhvendosen drejt rritjes së frekuencës. Spektri ruan formën e tij.
Ligji i Moseley-t
Fenomeni i zhvendosjes spektrale të linjave karakteristike u zbulua eksperimentalisht nga fizikani anglez Henry Moseley në 1913. Kjo e lejoi atë të lidhte frekuencat e maksimumit të spektrit me numrat rendorë të elementeve kimike. Kështu, gjatësia e valës së rrezatimit karakteristik me rreze X, siç doli, mund të lidhet qartë me një element specifik. Në terma të përgjithshëm, ligji i Moseley-t mund të shkruhet si më poshtë: √f = (Z - S n)/n√R, ku f është frekuenca, Z është numri rendor i elementit, S n është konstanta e kontrollit, n është kryesore numri kuantik, dhe R është konstanta Rydberg. Kjo marrëdhënie është lineare dhe shfaqet në diagramin Moseley si një seri vijash të drejta për secilën vlerë të n.
Vlerat e n korrespondojnë me seritë individuale të majave karakteristike të rrezeve X. Ligji i Moseley-t lejon që dikush të përcaktojë numrin serial të një elementi kimik të rrezatuar nga elektronet e forta nga gjatësitë e valëve të matura (ato janë të lidhura në mënyrë unike me frekuencat) e maksimumit të spektrit të rrezeve X.
Struktura e predhave elektronike të elementeve kimike është identike. Kjo tregohet nga monotonia e ndryshimit të zhvendosjes në spektrin karakteristik të rrezatimit me rreze X. Zhvendosja e frekuencës nuk reflekton ndryshime strukturore, por energjetike midis predhave elektronike, unike për secilin element.
Roli i ligjit të Moseley në fizikën atomike
Ka devijime të vogla nga marrëdhënia strikte lineare e shprehur nga ligji i Moseley-t. Ato shoqërohen, së pari, me veçoritë e rendit të mbushjes së predhave elektronike në disa elementë dhe, së dyti, me efektet relativiste të lëvizjes së elektroneve në atome të rënda. Përveç kësaj, kur numri i neutroneve në bërthamë ndryshon (i ashtuquajturi zhvendosje izotopike), pozicioni i linjave mund të ndryshojë pak. Ky efekt bëri të mundur studimin e detajuar të strukturës atomike.
Rëndësia e ligjit të Moseley-t është jashtëzakonisht e madhe. Zbatimi i qëndrueshëm i tij në elementët e sistemit periodik të Mendelejevit krijoi modelin e rritjes së numrit serial sipas çdo ndryshimi të vogël në maksimumet karakteristike. Kjo kontribuoi në sqarimin e çështjes së kuptimit fizik të numrit rendor të elementeve. Vlera e Z nuk është thjesht një numër: është ngarkesa elektrike pozitive e bërthamës, e cila është shuma e njësisë së ngarkesave pozitive të grimcave që e përbëjnë atë. Vendosja e saktë e elementeve në tabelë dhe prania e pozicioneve boshe në të (atëherë ato ende ekzistonin) morën një konfirmim të fuqishëm. Vlefshmëria e ligjit periodik u vërtetua.
Ligji i Moseley, përveç kësaj, u bë baza mbi të cilën u ngrit një fushë e tërë e kërkimit eksperimental - spektrometria me rreze X.
Struktura e predhave elektronike të atomit
Le të kujtojmë shkurtimisht se si është rregulluar elektroni. Ai përbëhet nga predha, të shënuara me shkronjat K, L, M, N, O, P, Q ose numrat nga 1 deri në 7. Elektronet brenda shtresës karakterizohen nga e njëjta kryesore numri kuantik n, i cili përcakton vlerat e mundshme të energjisë. Në predha të jashtme, energjia e elektroneve është më e lartë, dhe potenciali i jonizimit për elektronet e jashtme është përkatësisht më i ulët.
Predha përfshin një ose më shumë nënnivele: s, p, d, f, g, h, i. Në secilën guaskë, numri i nënniveleve rritet me një në krahasim me atë të mëparshëm. Numri i elektroneve në çdo nënnivel dhe në secilën shtresë nuk mund të kalojë një vlerë të caktuar. Ato karakterizohen, përveç numrit kuantik kryesor, nga e njëjta vlerë e resë elektronike orbitale që përcakton formën. Nënnivelet etiketohen me guaskën që i përkasin, si p.sh. 2s, 4d, e kështu me radhë.
Nënniveli përmban të cilat vendosen, përveç atij kryesor dhe orbital, nga një numër më shumë kuantik - magnetik, i cili përcakton projeksionin e momentit orbital të elektronit në drejtimin e fushës magnetike. Një orbital mund të ketë jo më shumë se dy elektrone, që ndryshojnë në vlerën e numrit të katërt kuantik - spin.
Le të shqyrtojmë më në detaje se si lind rrezatimi karakteristik me rreze X. Meqenëse origjina e këtij lloji të emetimit elektromagnetik shoqërohet me fenomene që ndodhin brenda atomit, është më e përshtatshme për ta përshkruar atë pikërisht në përafrimin e konfigurimeve elektronike.
Mekanizmi i gjenerimit të rrezeve X karakteristike
Pra, shkaku i këtij rrezatimi është formimi i zbrazëtirave të elektroneve në shtresat e brendshme, për shkak të depërtimit të elektroneve me energji të lartë thellë në atom. Probabiliteti që një elektron i fortë të ndërveprojë rritet me densitetin e reve elektronike. Prandaj, ka shumë të ngjarë që përplasjet të jenë brenda predhave të brendshme të mbushura dendur, siç është predha K më e ulët. Këtu atomi jonizohet dhe krijohet një vend i lirë në guaskën 1s.
Ky boshllëk plotësohet nga një elektron nga guaska me një energji më të lartë, teprica e së cilës bartet nga fotoni i rrezeve X. Ky elektron mund të "bie" nga shtresa e dytë L, nga shtresa e tretë M e kështu me radhë. Kështu formohet seria karakteristike, në këtë shembull, seria K. Një tregues se nga vjen elektroni që mbush vendin vakant jepet në formën e një indeksi grek kur caktohet seria. "Alfa" do të thotë që vjen nga L-guaska, "beta" - nga M-guaska. Aktualisht, ekziston një tendencë për të zëvendësuar indekset e shkronjave greke me ato latine të miratuara për të përcaktuar predha.
Intensiteti i linjës alfa në seri është gjithmonë më i larti, që do të thotë se probabiliteti për të mbushur një vend vakant nga një guaskë fqinje është më e larta.
Tani mund t'i përgjigjemi pyetjes, cila është energjia maksimale e kuantit karakteristik të rrezeve x. Përcaktohet nga ndryshimi në vlerat e energjisë të niveleve midis të cilave ndodh kalimi i elektroneve, sipas formulës E \u003d E n 2 - E n 1, ku E n 2 dhe E n 1 janë energjitë e gjendjet elektronike ndërmjet të cilave ka ndodhur tranzicioni. Vlera më e lartë e këtij parametri jepet nga kalimet e serisë K nga nivelet më të larta të mundshme të atomeve të elementeve të rënda. Por intensiteti i këtyre linjave (lartësitë e majave) është më i vogli, pasi ato janë më pak të mundshme.
Nëse, për shkak të tensionit të pamjaftueshëm në elektroda, një elektron i fortë nuk mund të arrijë nivelin K, ai formon një boshllëk në nivelin L dhe formohet një seri L më pak energjike me gjatësi vale më të gjata. Seritë pasuese lindin në mënyrë të ngjashme.
Për më tepër, kur një vend vakant plotësohet, një vend vakant i ri shfaqet në shtresën e sipërme si rezultat i një tranzicioni elektronik. Kjo krijon kushtet për gjenerimin e serive të ardhshme. Vendet e lira elektronike lëvizin më lart nga niveli në nivel, dhe atomi lëshon një kaskadë të serive karakteristike spektrale, ndërsa mbetet i jonizuar.
Struktura e imët e spektrit karakteristik
Spektrat atomike të rrezeve X të rrezatimit karakteristik me rreze X karakterizohen nga një strukturë e imët, e cila shprehet, si në spektrat optike, në ndarjen e linjës.
Struktura e imët është për shkak të faktit se niveli i energjisë - guaska elektronike - është një grup përbërësish të ndarë ngushtë - nënshtresa. Për të karakterizuar nënshtresat, prezantohet një numër tjetër kuantik i brendshëm j, i cili pasqyron bashkëveprimin e momenteve magnetike të brendshme dhe orbitale të elektronit.
Në lidhje me ndikimin e ndërveprimit spin-orbitë, struktura energjetike e atomit bëhet më e ndërlikuar, dhe si rezultat, rrezatimi karakteristik i rrezeve X ka një spektër që karakterizohet nga vija të ndara me elementë të ndarë shumë afër.
Elementet e strukturës së imët zakonisht shënohen me indekse dixhitale shtesë.
Rrezatimi karakteristik me rreze X ka një veçori që reflektohet vetëm në strukturën e imët të spektrit. Kalimi i një elektroni në nivelin më të ulët të energjisë nuk ndodh nga nënshtresa e poshtme e nivelit të sipërm. Një ngjarje e tillë ka një probabilitet të papërfillshëm.
Përdorimi i rrezeve X në spektrometri
Ky rrezatim, për shkak të veçorive të tij të përshkruara nga ligji i Moseley-t, qëndron në themel të metodave të ndryshme spektrale të rrezeve X për analizën e substancave. Kur analizohet spektri i rrezeve X, përdoret ose difraksioni i rrezatimit nga kristalet (metoda e shpërndarjes së valëve) ose detektorë të ndjeshëm ndaj energjisë së fotoneve të zhytur me rreze X (metoda e shpërndarjes së energjisë). Shumica e mikroskopëve elektronikë janë të pajisur me një formë të lidhjes së spektrometrisë me rreze X.
Spektrometria shpërhapëse valore karakterizohet nga saktësi veçanërisht e lartë. Me ndihmën e filtrave specialë, zgjidhen majat më intensive në spektër, falë të cilave është e mundur të merret rrezatim pothuajse monokromatik me një frekuencë të njohur saktësisht. Materiali i anodës zgjidhet me shumë kujdes për të siguruar që të merret një rreze monokromatike e frekuencës së dëshiruar. Difraksioni i tij në rrjetën kristalore të substancës së studiuar bën të mundur studimin e strukturës së rrjetës me saktësi të madhe. Kjo metodë përdoret gjithashtu në studimin e ADN-së dhe molekulave të tjera komplekse.
Një nga veçoritë e rrezatimit karakteristik me rreze X merret parasysh edhe në spektrometrinë gama. Ky është intensiteti i lartë i majave karakteristike. Spektrometrat gama përdorin mbrojtje nga plumbi kundër rrezatimit të sfondit të jashtëm që ndërhyn në matjet. Por plumbi, duke thithur gama kuantë, përjeton jonizimin e brendshëm, si rezultat i të cilit lëshon në mënyrë aktive në rangun e rrezeve X. Ekzaminimi shtesë i kadmiumit përdoret për të thithur majat intensive të rrezatimit karakteristik me rreze x nga plumbi. Ai, nga ana tjetër, është i jonizuar dhe gjithashtu lëshon rreze X. Për të neutralizuar majat karakteristike të kadmiumit, përdoret një shtresë e tretë mbrojtëse - bakri, maksimumi i rrezeve X i të cilit shtrihet jashtë diapazonit të frekuencës së funksionimit të spektrometrit gama.
Spektrometria përdor rrezet X bremsstrahlung dhe karakteristike. Kështu, në analizën e substancave studiohen spektrat e përthithjes së rrezeve X të vazhdueshme nga substanca të ndryshme.
Rrezatimi me rreze X, nga pikëpamja e fizikës, është rrezatim elektromagnetik, gjatësia e valës së të cilit varion në intervalin nga 0,001 deri në 50 nanometra. Ajo u zbulua në 1895 nga fizikani gjerman W.K. Roentgen.
Nga natyra, këto rreze janë të lidhura me ultravjollcë diellore. Valët e radios janë më të gjatat në spektër. Ato ndiqen nga drita infra të kuqe, të cilën sytë tanë nuk e perceptojnë, por ne e ndjejmë atë si nxehtësi. Më pas vijnë rrezet nga e kuqja në vjollcë. Pastaj - ultravjollcë (A, B dhe C). Dhe menjëherë pas saj janë rrezet x dhe rrezet gama.
Rrezet X mund të merren në dy mënyra: me ngadalësim në lëndën e grimcave të ngarkuara që kalojnë nëpër të dhe me kalimin e elektroneve nga shtresat e sipërme në ato të brendshme kur lirohet energjia.
Ndryshe nga drita e dukshme, këto rreze janë shumë të gjata, kështu që ato janë në gjendje të depërtojnë në materialet e errëta pa u reflektuar, përthyer ose grumbulluar në to.
Bremsstrahlung është më e lehtë për t'u marrë. Grimcat e ngarkuara lëshojnë rrezatim elektromagnetik gjatë frenimit. Sa më i madh të jetë nxitimi i këtyre grimcave dhe, rrjedhimisht, sa më i mprehtë të jetë ngadalësimi, aq më shumë rreze X prodhohen dhe gjatësia e valëve të saj bëhet më e shkurtër. Në shumicën e rasteve, në praktikë, ata përdorin gjenerimin e rrezeve në procesin e ngadalësimit të elektroneve në trupat e ngurtë. Kjo ju lejon të kontrolloni burimin e këtij rrezatimi, duke shmangur rrezikun e ekspozimit ndaj rrezatimit, sepse kur burimi fiket, rrezatimi me rreze X zhduket plotësisht.
Burimi më i zakonshëm i rrezatimit të tillë - Rrezatimi i emetuar prej tij është johomogjen. Ai përmban rrezatim të butë (valë të gjatë) dhe të fortë (valë të shkurtër). E buta karakterizohet nga fakti se përthithet plotësisht nga trupi i njeriut, prandaj rrezatimi i tillë me rreze X bën dy herë më shumë dëm sesa ai i fortë. Me rrezatim të tepërt elektromagnetik në indet e trupit të njeriut, jonizimi mund të dëmtojë qelizat dhe ADN-në.
Tubi është me dy elektroda - një katodë negative dhe një anodë pozitive. Kur katoda nxehet, elektronet avullojnë prej saj, pastaj ato përshpejtohen në një fushë elektrike. Duke u përplasur me lëndën e ngurtë të anodës, ato fillojnë ngadalësimin, i cili shoqërohet me emetimin e rrezatimit elektromagnetik.
Rrezatimi me rreze X, vetitë e të cilit përdoren gjerësisht në mjekësi, bazohet në marrjen e një imazhi hije të objektit në studim në një ekran të ndjeshëm. Nëse organi i diagnostikuar ndriçohet me një rreze rrezesh paralele me njëra-tjetrën, atëherë projeksioni i hijeve nga ky organ do të transmetohet pa shtrembërim (proporcionalisht). Në praktikë, burimi i rrezatimit është më shumë si një burim pika, kështu që ndodhet në një distancë nga personi dhe nga ekrani.
Për të marrë një person vendoset midis tubit me rreze x dhe ekranit ose filmit, duke vepruar si marrës të rrezatimit. Si rezultat i rrezatimit, kockat dhe indet e tjera të dendura shfaqen në imazh si hije të qarta, duken më shumë kontrast në sfondin e zonave më pak ekspresive që transmetojnë indet me më pak përthithje. Në rrezet X, një person bëhet "i tejdukshëm".
Ndërsa rrezet X përhapen, ato mund të shpërndahen dhe të përthithen. Para përthithjes, rrezet mund të udhëtojnë qindra metra në ajër. Në lëndën e dendur, ato përthithen shumë më shpejt. Indet biologjike të njeriut janë heterogjene, kështu që thithja e rrezeve të tyre varet nga dendësia e indit të organeve. thith rrezet më shpejt se indet e buta, sepse përmban substanca që kanë numër të madh atomik. Fotonet (grimcat individuale të rrezeve) absorbohen nga inde të ndryshme të trupit të njeriut në mënyra të ndryshme, gjë që bën të mundur marrjen e një imazhi kontrasti duke përdorur rreze x.
Në 1895, fizikani gjerman W. Roentgen zbuloi një lloj të ri, të panjohur më parë të rrezatimit elektromagnetik, i cili u emërua rreze X për nder të zbuluesit të tij. W. Roentgen u bë autori i zbulimit të tij në moshën 50 vjeçare, duke mbajtur postin e rektorit të Universitetit të Würzburgut dhe duke pasur një reputacion si një nga eksperimentuesit më të mirë të kohës së tij. Një nga të parët që gjeti një aplikim teknik për zbulimin e Roentgen ishte amerikani Edison. Ai krijoi një aparat demonstrimi të dobishëm dhe tashmë në maj 1896 organizoi një ekspozitë me rreze X në Nju Jork, ku vizitorët mund të shikonin dorën e tyre në një ekran të ndritshëm. Pasi ndihmësi i Edison-it vdiq nga djegiet e rënda që mori nga demonstratat e vazhdueshme, shpikësi ndaloi eksperimentet e mëtejshme me rrezet X.
Rrezatimi me rreze X filloi të përdoret në mjekësi për shkak të fuqisë së tij të lartë depërtuese. Fillimisht, rrezet X u përdorën për të ekzaminuar frakturat e kockave dhe gjetjen e trupave të huaj në trupin e njeriut. Aktualisht, ekzistojnë disa metoda të bazuara në rrezet X. Por këto metoda kanë të metat e tyre: rrezatimi mund të shkaktojë dëme të thella në lëkurë. Ulcerat e shfaqura shpesh kthehen në kancer. Në shumë raste duheshin amputuar gishtat ose duart. Fluoroskopia(sinonim i tejdukshmërisë) është një nga metodat kryesore të ekzaminimit me rreze X, e cila konsiston në marrjen e një imazhi planar pozitiv të objektit në studim në një ekran të tejdukshëm (fluoreshent). Gjatë fluoroskopisë, subjekti është midis një ekrani të tejdukshëm dhe një tubi me rreze x. Në ekranet moderne të tejdukshme me rreze X, imazhi shfaqet në momentin që tubi me rreze X është ndezur dhe zhduket menjëherë pasi është fikur. Fluoroskopia bën të mundur studimin e funksionit të organit - pulsimi i zemrës, lëvizjet respiratore të brinjëve, mushkërive, diafragmës, peristaltikës së aparatit tretës etj. Fluoroskopia përdoret në trajtimin e sëmundjeve të stomakut, traktit gastrointestinal, duodenit, sëmundjeve të mëlçisë, fshikëzës së tëmthit dhe traktit biliar. Në të njëjtën kohë, sonda mjekësore dhe manipuluesit futen pa dëmtim të indeve, dhe veprimet gjatë operacionit kontrollohen me fluoroskopi dhe janë të dukshme në monitor.
Radiografia - metoda e diagnostikimit me rreze X me regjistrimin e një imazhi fiks në një material fotosensiv - special. film fotografik (film me rreze X) ose letër fotografike me përpunim të mëvonshëm fotografish; Me radiografinë dixhitale, imazhi fiksohet në memorien e kompjuterit. Ajo kryhet në pajisje diagnostikuese me rreze X - të palëvizshme, të instaluara në dhoma të pajisura posaçërisht me rreze X, ose të lëvizshme dhe të lëvizshme - pranë shtratit të pacientit ose në sallën e operacionit. Në radiografi, elementët e strukturave të organeve të ndryshme shfaqen shumë më qartë sesa në një ekran fluoreshente. Radiografia kryhet me qëllim zbulimin dhe parandalimin e sëmundjeve të ndryshme, qëllimi kryesor i saj është të ndihmojë mjekët e specialiteteve të ndryshme të bëjnë saktë dhe shpejt një diagnozë. Një imazh me rreze x kap gjendjen e një organi ose indi vetëm në momentin e ekspozimit. Megjithatë, një radiografi e vetme kap vetëm ndryshimet anatomike në një moment të caktuar, ajo jep statikën e procesit; nepermjet nje serie radiografish te bera ne intervale te caktuara, mund te studiohet dinamika e procesit, pra ndryshimet funksionale. Tomografia. Fjala tomografi mund të përkthehet nga greqishtja si imazh në fetë. Kjo do të thotë se qëllimi i tomografisë është të marrë një imazh të shtresëzuar të strukturës së brendshme të objektit të studimit. Tomografia e kompjuterizuar karakterizohet nga rezolucion i lartë, i cili bën të mundur dallimin e ndryshimeve delikate në indet e buta. CT lejon zbulimin e proceseve të tilla patologjike që nuk mund të zbulohen me metoda të tjera. Përveç kësaj, përdorimi i CT bën të mundur uljen e dozës së rrezatimit me rreze X të marrë nga pacientët gjatë procesit diagnostik.
Fluorografia- një metodë diagnostike që ju lejon të merrni një imazh të organeve dhe indeve, u zhvillua në fund të shekullit të 20-të, një vit pasi u zbuluan rrezet X. Në foto shihen skleroza, fibroza, objekte të huaja, neoplazi, inflamacione që kanë shkallë të zhvilluar, prani gazrash dhe infiltrate në zgavra, abscese, kiste etj. Më shpesh, kryhet një radiografi e gjoksit, e cila ju lejon të zbuloni tuberkulozin, një tumor malinj në mushkëri ose gjoks dhe patologji të tjera.
Terapia me rreze X- Kjo është një metodë moderne me të cilën kryhet trajtimi i disa patologjive të kyçeve. Drejtimet kryesore të trajtimit të sëmundjeve ortopedike me këtë metodë janë: Kronike. Proceset inflamatore të nyjeve (artrit, poliartrit); Degjenerative (osteoartriti, osteokondroza, spondiloza deformuese). Qëllimi i radioterapisëështë frenimi i aktivitetit jetësor të qelizave të indeve të ndryshuara patologjikisht ose shkatërrimi i tyre i plotë. Në sëmundjet jo-tumorale, terapia me rreze X ka për qëllim shtypjen e reaksionit inflamator, frenimin e proceseve proliferative, uljen e ndjeshmërisë ndaj dhimbjes dhe aktivitetit sekretues të gjëndrave. Duhet pasur parasysh se gjëndrat seksuale, organet hematopoietike, leukocitet dhe qelizat e tumorit malinj janë më të ndjeshme ndaj rrezeve X. Doza e rrezatimit në secilin rast përcaktohet individualisht.
Për zbulimin e rrezeve X, Roentgenit iu dha çmimi i parë Nobel në Fizikë në vitin 1901 dhe Komiteti Nobel theksoi rëndësinë praktike të zbulimit të tij.
Kështu, rrezet X janë rrezatim elektromagnetik i padukshëm me një gjatësi vale 105 - 102 nm. Rrezet X mund të depërtojnë në disa materiale që janë të errëta ndaj dritës së dukshme. Ato lëshohen gjatë ngadalësimit të elektroneve të shpejta në materie (spektri i vazhdueshëm) dhe gjatë kalimit të elektroneve nga shtresat e jashtme elektronike të atomit në ato të brendshme (spektri linear). Burimet e rrezatimit me rreze X janë: tubi i rrezeve X, disa izotope radioaktive, përshpejtuesit dhe akumulatorët e elektroneve (rrezatimi sinkrotron). Marrës - film, ekrane lumineshente, detektorë të rrezatimit bërthamor. Rrezet X përdoren në analizën e difraksionit me rreze X, mjekësi, zbulimin e defekteve, analizën spektrale me rreze X, etj.