Відкриття і досягнення вивчення основних властивостей рентгенівських променів з повним правом належить німецькому вченому Вільгельму Конраду Рентгену. Дивовижні властивості відкритих ним X-променів, одразу набули величезного резонансу в ученому світі. Хоча тоді, далекого 1895 року, учений навряд міг припустити, яку користь, котрий іноді шкода може принести рентгенівське випромінювання.

Давайте з'ясуємо в цій статті, як цей вид випромінювання впливає на здоров'я людини.

Що таке рентгенівське випромінювання

Перше питання, яке зацікавило дослідника, - що таке рентгенівське випромінювання? Ряд експериментів дозволив переконатися, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10 -8 см, що займає проміжне положення між ультрафіолетовим та гамма-випромінюванням.

Застосування рентгенівського випромінювання

Всі перелічені аспекти руйнівного впливу таємничих X-променів зовсім не виключають напрочуд великі аспекти їх застосування. Де ж застосовується рентгенівське випромінювання?

1. Вивчення структури молекул та кристалів.
2. Рентгенівська дефектоскопія (у промисловості виявлення дефектів у виробах).
3. Методи медичного дослідження та терапії.

Найважливіші застосування рентгенівського випромінювання стали можливими завдяки дуже малим довжинам всього діапазону цих хвиль та їх унікальним властивостям.

Оскільки нас цікавить вплив рентгенівського випромінювання на людей, які стикаються з ним лише під час медичного обстеження чи лікування, то далі ми розглядатимемо лише цю сферу застосування рентгену.

Застосування рентгенівського випромінювання у медицині

Незважаючи на особливе значення свого відкриття Рентген не став брати патент на його використання, зробивши безцінним подарунком для всього людства. Уже Першої світової війни стали використовуватися рентгенівські установки, що дозволяли швидко і точно ставити діагнози пораненим. Зараз можна виділити дві основні сфери застосування рентгенівських променів у медицині:

• рентгенодіагностика;
• рентгенотерапія.

Рентгенодіагностика

Рентгенодіагностика використовується у різних варіантах:

Розберемося на відміну від цих методів.

Всі перелічені методи діагностики засновані на здатності рентгенових променів засвічувати фотоплівку та на різній проникності їх для тканин та кісткового скелета.

Рентгенотерапія

Здатність рентгенових променів надавати біологічну дію на тканини, у медицині використовують для терапії пухлин. Іонізуюча дія цього випромінювання найбільш активно проявляється у впливі на клітини, що швидко діляться, якими і є клітини злоякісних пухлин.

Однак, слід знати і про побічні ефекти, що неминуче супроводжують рентгенотерапію. Справа в тому, що швидко діляться також клітини кровотворних, ендокринних, імунних систем. Негативно вплив на них породжує ознаки променевої хвороби.

Вплив рентгенівського випромінювання на людину

Незабаром після чудового відкриття X-променів виявилося, що рентгенівське випромінювання впливає на людину.

Ці дані отримані при експериментах на піддослідних тварин, однак, генетики припускають, що такі наслідки можуть поширюватися і на організм людини.

Вивчення наслідків рентгенівського опромінення дозволило розробити міжнародні стандарти на допустимі дози опромінення.

Дози рентгенівського випромінювання при рентгенодіагностиці

Після відвідування рентген-кабінету багато пацієнтів відчувають занепокоєння, - як отримана доза радіації позначиться на здоров'ї?

Доза загального опромінення організму залежить від характеру процедури, що проводиться. Для зручності зіставлятимемо отримувану дозу з природним опроміненням, яке супроводжує людину все життя.

1. Рентгенографія: грудної клітки – отримана доза радіації еквівалентна 10 дням фонового опромінення; верхнього шлунка та тонкого кишечника – 3 рокам.
2. Комп'ютерна томографія органів черевної порожнини та тазу, а також всього тіла - 3 років.
3. Мамографія – 3 місяцях.
4. Рентгенографія кінцівок – практично нешкідлива.
5. Що стосується стоматологічного рентгену, доза опромінення – мінімальна, оскільки на пацієнта впливають вузькоспрямованим пучком рентгенівських променів із малою тривалістю випромінювання.

Ці дози опромінення відповідають допустимим стандартам, але якщо пацієнт перед проходженням рентгена відчуває тривоги, він має право попросити спеціальний захисний фартух.

Вплив рентгенівського випромінювання на вагітних

Рентгенівському обстеженню кожна людина змушена піддаватися неодноразово. Але є правило - цей метод діагностики не можна призначати вагітним жінкам. Ембріон, що розвивається, надзвичайно вразливий. Рентгенівські промені можуть викликати аномалії хромосом і, як наслідок, народження дітей із вадами розвитку. Найуразливішим у цьому плані є термін вагітності до 16 тижнів. Причому найнебезпечніший для майбутнього малюка рентген хребта, тазової та черевної області.

Знаючи про згубний вплив рентгенівського випромінювання на вагітність, лікарі всіляко уникають використовувати його у відповідальний період у житті жінки.

Проте є побічні джерела рентгенівських випромінювань:

• електронні мікроскопи;
• кінескопи кольорових телевізорів тощо.

Майбутнім мамам слід знати про небезпеку, що виходить від них.

Для матерів-годувальниць рентгенодіагностика небезпеки не становить.

Що робити після рентгенівського випромінювання

Щоб уникнути навіть мінімальних наслідків рентгенівського опромінення, можна зробити деякі прості дії:

• після рентгену випити склянку молока, - воно виводить малі дози радіації;
• дуже доречний прийом склянку сухого вина або виноградного соку;
• деякий час після процедури корисно збільшити частку продуктів з підвищеним вмістом йоду (морепродуктів).

Але ніякі лікувальні процедури або спеціальні заходи для виведення радіації після рентгена не потрібні!

Незважаючи на, безперечно, серйозні наслідки від впливу рентгенівських променів, не слід переоцінювати їхню небезпеку при медичних обстеженнях - вони проводяться лише на певних ділянках тіла і дуже швидко. Користь від них значно перевищує ризик цієї процедури для людського організму.

Рентгенівське випромінювання (синонім рентгенівські промені) - це із широким діапазоном довжин хвиль (від 8·10 -6 до 10 -12 див). Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні заряджених частинок, найчастіше електронів, в електричному полі атомів речовини. Кванти, що при цьому утворюються, мають різну енергію і утворюють безперервний спектр. Максимальна енергія квантів у такому спектрі дорівнює енергії електронів, що налітають. В максимальна енергія квантів рентгенівського випромінювання, виражена в кілоелектрон-вольтах, чисельно дорівнює величині прикладеного до трубки напруги, вираженого в кіловольтах. При проходженні через речовину рентгенівське випромінювання взаємодіє із електронами його атомів. Для квантів рентгенівського випромінювання з енергією до 100 кев найбільш характерним видом взаємодії є фотоефект. Внаслідок такої взаємодії енергія кванта повністю витрачається на виривання електрона з атомної оболонки та повідомлення йому кінетичної енергії. Зі зростанням енергії кванта рентгенівського випромінювання ймовірність фотоефекту зменшується і переважає процес розсіювання квантів на вільних електронах - так званий комптон-ефект. В результаті такої взаємодії також утворюється вторинний електрон і, крім того, вилітає квант з меншою енергією, ніж енергія первинного кванта. Якщо енергія кванта рентгенівського випромінювання перевищує один мегаелектрон-вольт, може мати місце так званий ефект утворення пар, у якому утворюються електрон і позитрон (див. ). Отже, під час проходження через речовину відбувається зменшення енергії рентгенівського випромінювання, т. е. зменшення його інтенсивності. Оскільки при цьому з більшою ймовірністю відбувається поглинання квантів низької енергії, має місце збагачення рентгенівського випромінювання квантами вищої енергії. Цю властивість рентгенівського випромінювання використовують збільшення середньої енергії квантів, т. е. збільшення його жорсткості. Досягається збільшення жорсткості рентгенівського випромінювання за допомогою спеціальних фільтрів (див. ). Рентгенівське випромінювання застосовують для рентгенодіагностики (див.) та (див.). також Випромінювання іонізуючі.

Рентгенівське випромінювання (синонім: рентгенівські промені, рентгенові промені) – квантове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 250 до 0,025 А (або квантів анергії від 5 · 10 -2 до 5 · 10 2 кев). У 1895 р. відкрито В. К. Рентгеном. Сумежну з рентгенівським випромінюванням спектральну область електромагнітного випромінювання, кванти енергії якого перевищують 500 кев, називають гамма-випромінюванням (див.); випромінювання, кванти енергії якого нижче значень 0,05 кев становить ультрафіолетове випромінювання (див.).

Таким чином, представляючи відносно невелику частину великого спектру електромагнітних випромінювань, до якого входять і радіохвилі і видиме світло, рентгенівське випромінювання, як і будь-яке електромагнітне випромінювання, поширюється зі швидкістю світла (в порожнечі близько 300 тис. км/сек) і характеризується довжиною хвилі λ ( відстань, на яку випромінювання поширюється за один період коливання). Рентгенівське випромінювання має також ряд інших хвильових властивостей (заломлення, інтерференція, дифракція), проте спостерігати їх значно складніше, ніж у більш довгохвильового випромінювання: видимого світла, радіохвиль.

Спектри рентгенівського випромінювання: а1 – суцільний гальмівний спектр при 310 кв; а – суцільний гальмівний спектр при 250 кв, а1 – спектр, фільтрований 1 мм Cu, а2 – спектр, фільтрований 2 мм Cu, б – К-серія лінії вольфраму.

Для генерування рентгенівського випромінювання застосовують рентгенівські трубки, в яких випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів з атомами речовини анода. Розрізняють рентгенівські випромінювання двох видів: гальмівне та характеристичне. Гальмівне рентгенівське випромінювання, що має суцільний спектр, подібно до звичайного білого світу. Розподіл інтенсивності залежно від довжини хвилі (мал.) представляється кривою з максимумом; у бік довгих хвиль крива спадає порожнього, а бік коротких - круто і обривається за певної довжини хвилі (λ0), званої короткохвильовою межею суцільного спектра. Величина λ0 обернено пропорційна напрузі на трубці. Гальмівне випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів із ядрами атомів. Інтенсивність гальмівного випромінювання прямо пропорційна силі анодного струму, квадрату напруги на трубці та атомному номеру (Z) речовини анода.

Якщо енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перевищує критичну для речовини анода величину (ця енергія визначається критичним для цієї речовини напругою на трубці Vкр), виникає характеристичне випромінювання. Характеристичний спектр - лінійний, його спектральні лінії утворюють серії, що позначаються буквами К, L, М, N.

Серія К - найбільш короткохвильова, серія L - більш довгохвильова, серії М і N спостерігаються тільки у важких елементів (Vкр вольфраму для К-серії - 69,3 кв, для L-серії - 12,1 кв). Характеристичне випромінювання виникає в такий спосіб. Швидкі електрони вибивають атомні електрони із внутрішніх оболонок. Атом збуджується, а потім повертається до основного стану. При цьому електрони з зовнішніх, менш пов'язаних оболонок заповнюють місця, що звільнилися у внутрішніх оболонках, і випромінюються фотони характеристичного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій атома в збудженому і основному стані. Ця різниця (а отже, і енергія фотона) має певне значення, характерне для кожного елемента. Це є основою рентгеноспектрального аналізу елементів. На малюнку видно лінійний спектр вольфраму і натомість суцільного спектра гальмівного випромінювання.

Енергія прискорених у рентгенівській трубці електронів перетворюється майже повністю на теплову (анод у своїй сильно нагрівається), лише незначна частина (близько 1% при напрузі, близькому до 100 кв) перетворюється на енергію гальмівного випромінювання.

Застосування рентгенівського випромінювання в медицині ґрунтується на законах поглинання рентгенових променів речовиною. Поглинання рентгенівського випромінювання не залежить від оптичних властивостей речовини поглинача. Безбарвне та прозоре свинцеве скло, що використовується для захисту персоналу рентгенівських кабінетів, практично повністю поглинає рентгенівське випромінювання. Навпаки, аркуш паперу, не прозорий світла, не послаблює рентгенівського випромінювання.

Інтенсивність однорідного (тобто певної довжини хвилі) пучка рентгенівського випромінювання при проходженні через шар поглинача зменшується за експоненційним законом (е-х), де е - основа натуральних логарифмів (2,718), а показник експоненти х дорівнює добутку масового коефіцієнта /р) см 2 /г на товщину поглинача в г/см 2 (тут р - густина речовини в г/см 3). Ослаблення рентгенівського випромінювання відбувається за рахунок розсіювання, і з допомогою поглинання. Відповідно масовий коефіцієнт ослаблення є сумою масових коефіцієнтів поглинання та розсіювання. Масовий коефіцієнт поглинання різко зростає зі збільшенням атомного номера (Z) поглинача (пропорційно Z3 або Z5) та зі збільшенням довжини хвилі (пропорційно λ3). Зазначена залежність від довжини хвилі спостерігається в межах смуг поглинання, на межах яких коефіцієнт виявляє стрибки.

Масовий коефіцієнт розсіювання зростає із збільшенням атомного номера речовини. При λ≥0,ЗÅ коефіцієнт розсіювання від довжини хвилі не залежить, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.

Зменшення коефіцієнтів поглинання та розсіювання зі зменшенням довжини хвилі зумовлює зростання проникаючої здатності рентгенівського випромінювання. Масовий коефіцієнт поглинання для кісток [поглинання переважно зумовлено Са 3 (РO 4) 2 ] майже 70 разів більше, ніж м'яких тканин, де поглинання переважно обумовлено водою. Це пояснює, чому рентгенограмах так різко виділяється тінь кісток і натомість м'яких тканин.

Поширення неоднорідного пучка рентгенівського випромінювання через будь-яке середовище поряд із зменшенням інтенсивності супроводжується зміною спектрального складу, зміною якості випромінювання: довгохвильова частина спектра поглинається більшою мірою, ніж короткохвильова, випромінювання стає одноріднішим. Відфільтрування довгохвильової частини спектра дозволяє при рентгенотерапії вогнищ, глибоко розташованих у тілі людини, покращити співвідношення між глибинною та поверхневою дозами (див. Рентгенівські фільтри). Для характеристики якості неоднорідного пучка рентгенових променів використовують поняття «шар половинного ослаблення (Л)» - шар речовини, що послаблює випромінювання наполовину. Товщина цього шару залежить від напруги на трубці, товщині та матеріалі фільтра. Для вимірювання шарів половинного ослаблення використовують целофан (до енергії 12 кев), алюміній (20-100 кев), мідь (60-300 кев), свинець та мідь (>300 кев). Для рентгенових променів, що генеруються при напругах 80-120 кв, 1 мм міді по фільтруючій здатності еквівалентний 26 мм алюмінію, 1 мм свинцю - 50,9 мм алюмінію.

Поглинання та розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено його корпускулярними властивостями; рентгенівське випромінювання взаємодіє з атомами як потік корпускул (часток) - фотонів, кожен із яких має певну енергію (назад пропорційну довжині хвилі рентгенівського випромінювання). Інтервал енергій рентгенівських фотонів 0,05-500 кев.

Поглинання рентгенівського випромінювання обумовлено фотоелектричним ефектом: поглинання фотона електронною оболонкою супроводжується вириванням електрона. Атом збуджується і, повертаючись до основного стану, випромінює характеристичне випромінювання. Вилітаючий фотоелектрон забирає всю енергію фотона (за винятком енергії зв'язку електрона в атомі).

Розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлено електронами розсіюючого середовища. Розрізняють класичне розсіювання (довжина хвилі випромінювання не змінюється, але змінюється напрямок поширення) та розсіювання зі зміною довжини хвилі – комптон-ефект (довжина хвилі розсіяного випромінювання більше, ніж падаючого). В останньому випадку фотон поводиться як кулька, що рухається, а розсіювання фотонів відбувається, за образним висловом Комнтона, на кшталт гри на більярді фотонами і електронами: стикаючись з електроном, фотон передає йому частину своєї енергії і розсіюється, володіючи вже меншою енергією (відповідно довжина хвилі розсіяних) випромінювання збільшується), електрон вилітає з атома з енергією віддачі (ці електрони називають комптон-електронами або електронами віддачі). Поглинання енергії рентгенівського випромінювання відбувається при утворенні вторинних електронів (комптон - та фотоелектронів) та передачі їм енергії. Енергія рентгенівського випромінювання, передана одиниці маси речовини, визначає поглинену дозу рентгенівського випромінювання. Одиниця цієї дози 1 рад відповідає 100 ерг/г. За рахунок поглиненої енергії в речовині поглинача протікає ряд вторинних процесів, що мають важливе значення для дозиметрії рентгенівського випромінювання, оскільки саме на них ґрунтуються методи вимірювання рентгенівського випромінювання. (Див. Дозиметрія).

Всі гази та багато рідин, напівпровідники та діелектрики під дією рентгенівського випромінювання збільшують електричну провідність. Провідність виявляють найкращі ізоляційні матеріали: парафін, слюда, гума, бурштин. Зміна провідності обумовлена ​​іонізацією середовища, тобто поділом нейтральних молекул на позитивні та негативні іони (іонізацію виробляють вторинні електрони). Іонізація у повітрі використовується для визначення експозиційної дози рентгенівського випромінювання (дози у повітрі), яка вимірюється у рентгенах (див. Дози іонізуючих випромінювань). При дозі 1 р поглинена доза повітря дорівнює 0,88 рад.

Під дією рентгенівського випромінювання внаслідок збудження молекул речовини (і за рекомбінації іонів) збуджується у багатьох випадках видиме світіння речовини. За більших інтенсивностей рентгенівського випромінювання спостерігається видиме світіння повітря, паперу, парафіну тощо (виняток становлять метали). Найбільший вихід видимого світіння дають такі кристалічні люмінофори, як ZnCdSAg-фосфор та інші, що застосовуються для екранів при рентгеноскопії.

Під дією рентгенівського випромінювання в речовині можуть проходити також різні хімічні процеси: розкладання галоїдних сполук срібла (фотографічний ефект, що використовується при рентгенографії), розкладання води та водних розчинів перекису водню, зміна властивостей целулоїду (помутніння та виділення камфори), парафіну (помутніння) .

Внаслідок повного перетворення вся поглинена хімічно інертною речовиною енергія рентгенівське випромінювання перетворюється на теплоту. Вимір дуже малих кількостей теплоти вимагає високочутливих методів, зате є основним способом абсолютних вимірювань рентгенівського випромінювання.

Побічні біологічні ефекти від впливу рентгенівського випромінювання є основою медичної рентгенотерапії (див.). Рентгенівські випромінювання, кванти яких становлять 6-16 кев (ефективні довжини хвиль від 2 до 5 Å), практично повністю поглинаються шкірним покривом тканини людського тіла; вони називаються прикордонними променями, або іноді променями Буккі (див. Буккі промені). Для глибокої рентгенотерапії застосовується фільтроване жорстке випромінювання з ефективними квантами енергії від 100 до 300 кев.

Біологічна дія рентгенівського випромінювання повинна враховуватися не тільки при рентгенотерапії, а й при рентгенодіагностиці, а також у всіх інших випадках контакту з рентгенівським випромінюванням, які потребують протипроменевого захисту (див.).

Рентгенівські промені були виявлені випадково в 1895 знаменитим німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Він вивчав катодні промені в газорозрядній трубці низького тиску за високої напруги між її електродами. Незважаючи на те, що трубка була в чорному ящику, Рентген звернув увагу, що флуоресцентний екран, що випадково був поруч, щоразу світився, коли діяла трубка. Трубка виявилася джерелом випромінювання, яке могло проникати через папір, дерево, скло і навіть пластинку алюмінію завтовшки півтора сантиметра.

Рентген визначив, що газорозрядна трубка є джерелом нового виду невидимого випромінювання, що має велику проникаючу здатність. Вчений не міг визначити, чи було це випромінювання потоком частинок або хвиль, і він вирішив дати йому назву X-промені. Надалі їх назвали рентгенівськими променями.

Тепер відомо, що X-промені – вид електромагнітного випромінювання, що має меншу довжину хвилі, ніж ультрафіолетові електромагнітні хвилі. Довжина хвилі X-променів коливається від 70 нмдо 10 -5 нм. Чим коротша довжина хвилі X-променів, тим більша енергія їх фотонів і більша здатність, що проникає. X-промені з порівняно великою довжиною хвилі (більше 10 нм), називаються м'якими. Довжина хвилі 1 - 10 нмхарактеризує жорсткі X-промені. Вони мають величезну проникаючу здатність.

Отримання рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені виникають, коли швидкі електрони або катодні промені стикаються зі стінками або анодом газорозрядної трубки низького тиску. Сучасна рентгенівська трубка є вакуумізованим скляним балоном з розташованими в ньому катодом і анодом. Різниця потенціалів між катодом і анодом (антикатодом) досягає декількох сотень кіловольт. Катод є вольфрамовою ниткою, що підігрівається електричним струмом. Це призводить до випромінювання катодом електронів в результаті термоелектронної емісії. Електрони прискорюються електричним полем у рентгенівській трубці. Оскільки в трубці дуже невелика кількість молекул газу, то електрони на шляху до анода практично не втрачають своєї енергії. Вони досягають анода з дуже великою швидкістю.

Рентгенівські промені виникають завжди, коли електрони, що рухаються з високою швидкістю, гальмуються матеріалом анода. Більшість енергії електронів розсіюється як тепла. Тому аноді необхідно штучно охолоджувати. Анод у рентгенівській трубці повинен бути виготовлений з металу, що має високу температуру плавлення, наприклад, з вольфраму.

Частина енергії, що не розсіює у формі тепла, перетворюється на енергію електромагнітних хвиль (рентгенівські промені). Таким чином, рентгенівські промені є результатом бомбардування електронами речовини аноду. Є два типи рентгенівського випромінювання: гальмівне та характеристичне.

Гальмівне рентгенівське випромінювання

Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні електронів, що рухаються з великою швидкістю, електричними полями атомів анода. Умови гальмування окремих електронів не однакові. У результаті енергію рентгенівського випромінювання переходять різні частини їх кінетичної енергії.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання залежить від природи речовини анода. Як відомо, енергія фотонів рентгенівських променів визначає їх частоту та довжину хвилі. Тому гальмівне рентгенівське випромінювання є монохроматичним. Воно характеризується різноманітністю довжин хвиль, яка може бути представлена суцільним (безперервним) спектром.

Рентгенівські промені не можуть мати енергію більшу, ніж кінетична енергія електронів, що їх утворюють. Найменша довжина хвилі рентгенівського випромінювання відповідає максимальній кінетичній енергії електронів, що гальмуються. Чим більша різниця потенціалів у рентгенівській трубці, тим менші довжини хвилі рентгенівського випромінювання можна отримати.

Характеристичне рентгенівське випромінювання

Характеристичне рентгенівське випромінювання має не суцільне, а лінійний спектр. Цей тип випромінювання виникає, коли швидкий електрон, досягаючи анода, проникає у внутрішні орбіталі атомів та вибиває один із їхніх електронів. В результаті з'являється вільне місце, що може бути заповнене іншим електроном, що спускається з однієї з верхніх атомних орбіталей. Такий перехід електрона з вищого на нижчий енергетичний рівень викликає рентгенівське випромінювання певної дискретної довжини хвилі. Тому характеристичне рентгенівське випромінювання має лінійний спектр. Частота ліній характеристичного випромінювання залежить від структури електронних орбіталей атомів анода.

Лінії спектра характеристичного випромінювання різних хімічних елементів мають однаковий вигляд, оскільки структура їх внутрішніх електронних орбітальних ідентична. Але довжина їхньої хвилі і частота завдяки енергетичним відмінностям між внутрішніми орбіталями важких і легких атомів.

Частота ліній спектру характеристичного рентгенівського випромінювання змінюється у відповідність до атомного номера металу і визначається рівнянням Мозлі: v 1/2 = A(Z-B), де Z- Атомний номер хімічного елемента, Aі B- Константи.

Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Для первинної взаємодії між рентгенівським випромінюванням та речовиною характерно три механізми:

1. Когерентне розсіювання. Ця форма взаємодії відбувається, коли фотони рентгенівських променів мають меншу енергію, ніж енергія зв'язку електронів із ядром атома. У такому разі енергія фотона виявляється недостатньою для звільнення електронів з атомів речовини. Фотон не поглинається атомом, але змінює напрямок поширення. У цьому довжина хвилі рентгенівського випромінювання залишається незмінною.

2. Фотоелектричний ефект (фотоефект). Коли фотон рентгенівського випромінювання досягає атома речовини, може вибити один з електронів. Це відбувається у разі, якщо енергія фотона перевищує енергію зв'язку електрона з ядром. У цьому фотон поглинається, а електрон вивільняється з атома. Якщо фотон несе більшу енергію, ніж необхідно для вивільнення електрона, він передасть енергію, що залишилася, звільненому електрону у формі кінетичної енергії. Цей феномен, званий фотоелектричним ефектом, відбувається при поглинанні відносно рентгенівського низькоенергетичного випромінювання.

Атом, який втрачає один із своїх електронів, стає позитивним іоном. Тривалість існування вільних електронів є дуже короткою. Вони поглинаються нейтральними атомами, які при цьому перетворюються на негативні іони. Результатом фотоелектричного ефекту є інтенсивна іонізація речовини.

Якщо енергія фотона рентгенівського випромінювання менша, ніж енергія іонізації атомів, то атоми переходять у збуджений стан, але не іонізуються.

3. Некогерентне розсіювання (ефект Комптону). Цей ефект виявлено американським фізиком Комптоном. Він відбувається, якщо речовина поглинає рентгенівське проміння малої довжини хвилі. Енергія фотонів таких рентгенівських променів завжди більша, ніж енергія іонізації атомів речовини. Ефект Комптон є результатом взаємодії високоенергетичного фотона рентгенівських променів з одним з електронів зовнішньої оболонки атома, який має порівняно слабкий зв'язок з атомним ядром.

Високоенергетичний фотон передає електрону певну частину своєї енергії. Збуджений електрон вивільняється з атома. Решта енергії первинного фотона, що залишилася, випромінюється у вигляді фотона рентгенівського випромінювання більшої довжини хвилі під деяким кутом до напрямку руху первинного фотона. Вторинний фотон може іонізувати інший атом і т.д. Ці зміни напряму та довжини хвилі рентгенівських променів відомі як ефект Комптону.

Деякі ефекти взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною

Як згадувалося вище, рентгенівські промені здатні збуджувати атоми і молекули речовини. Це може спричинити флюоресценцію певних речовин (наприклад, сульфату цинку). Якщо паралельний пучок рентгенівських променів направити на непрозорі об'єкти, можна спостерігати як промені пройдуть крізь об'єкт, поставивши екран, покритий флюоресцирующим речовиною.

Флуоресцентний екран можна замінити на фотографічну плівку. Рентгенівські промені надають на фотографічну емульсію таку саму дію, як і світло. Обидва методи використовуються у практичній медицині.

Іншим важливим ефектом рентгенівського випромінювання є їхня іонізуюча здатність. Це залежить від їхньої довжини хвилі та енергії. Цей ефект забезпечує метод вимірювання інтенсивності рентгенівського випромінювання. Коли рентгенівські промені проходять через іонізаційну камеру виникає електричний струм, величина якого пропорційна інтенсивності рентгенівського випромінювання.

Поглинання рентгенівського випромінювання речовиною

При проходженні рентгенівських променів через речовину їх енергія зменшується через поглинання та розсіювання. Послаблення інтенсивності паралельного пучка рентгенівських променів, що проходять через речовину, визначається законом Бугера: I = I0 · e -μd, де I 0- Початкова інтенсивність рентгенівського випромінювання; I- Інтенсивність рентгенівських променів, що пройшли через шар речовини, d -товщина поглинаючого шару , μ – лінійний коефіцієнт ослаблення. Він дорівнює сумі двох величин: t- лінійного коефіцієнта поглинання та σ - лінійного коефіцієнта розсіювання: μ = τ+ σ

В експериментах виявлено, що лінійний коефіцієнт поглинання залежить від атомного номера речовини та довжини хвилі рентгенівських променів:

τ = kρZ 3 λ 3, де k- Коефіцієнт прямої пропорційності, ρ - Щільність речовини, Z- Атомний номер елемента, λ - Довжина хвилі рентгенівських променів.

Залежність від Z дуже важлива з практичного погляду. Наприклад, коефіцієнт поглинання кісток, що складаються з фосфату кальцію, майже в 150 разів перевищує коефіцієнт поглинання м'яких тканин ( Z=20 для кальцію та Z=15 для фосфору). При проходженні рентгенівських променів через тіло людини кістки чітко виділяються на тлі м'язів, сполучної тканини і т.п.

Відомо, що органи травлення мають таку ж величину коефіцієнта поглинання, як і інші м'які тканини. Але тінь стравоходу, шлунка і кишечника можна розрізнити, якщо пацієнт прийме внутрішньо контрастну речовину - сірчанокислий барій ( Z= 56 для барію). Сірчанокислий барій дуже непрозорий для рентгенівського проміння і часто використовується для рентгенологічного обстеження шлунково-кишкового тракту. Певні непрозорі суміші вводять у кров'яне русло у тому, щоб досліджувати стан кровоносних судин, нирок тощо. Як контрастне речовина у разі використовують йод, атомний номер якого становить 53.

Залежність поглинання рентгенівських променів від Zвикористовують також для захисту від можливої ​​шкідливої ​​дії рентгенівського випромінювання. Для цієї мети застосовують свинець, величина Zдля якого дорівнює 82.

Застосування рентгенівського випромінювання у медицині

Причиною застосування рентгенівського випромінювання в діагностиці послужила їхня висока проникаюча здатність, одне з основних властивостей рентгенівського випромінювання. Спочатку після відкриття, рентгенівське випромінювання використовувалося здебільшого, для дослідження переломів кісток і визначення розташування сторонніх тіл (наприклад, куль) у тілі людини. В даний час застосовують кілька методів діагностики за допомогою рентгенівського проміння (рентгенодіагностика).

Рентгеноскопія . Рентгенівський прилад складається з джерела рентгенівських променів (рентгенівської трубки) та флуоресцентного екрану. Після проходження рентгенівських променів через тіло пацієнта лікар спостерігає його тіньове зображення. Між екраном та очима лікаря має бути встановлене свинцеве вікно для того, щоб захистити лікаря від шкідливої ​​дії рентгенівських променів. Цей метод дозволяє вивчити функціональний стан деяких органів. Наприклад, лікар безпосередньо може поспостерігати за рухами легень, проходження контрастної речовини по шлунково-кишковому тракту. Недоліки цього - недостатньо контрастні зображення і порівняно великі дози випромінювання, одержувані пацієнтом під час процедури.

Флюорографія . Цей метод полягає у отриманні фотографії із зображенням частини тіла пацієнта. Використовують зазвичай для попереднього дослідження стану внутрішніх органів пацієнтів за допомогою малих доз рентгенівського випромінювання.

Рентгенографія. (Радіографія рентгенівських променів). Це метод дослідження за допомогою рентгенівських променів, під час якого зображення записується на фотографічну плівку. Фотографії робляться зазвичай у двох перпендикулярних площинах. Цей метод має деякі переваги. Рентгенівські фотографії містять більше деталей, ніж зображення на флуоресцентному екрані, і тому є більш інформативними. Вони можуть бути збережені для подальшого аналізу. Загальна доза випромінювання менша, ніж застосовується в рентгеноскопії.

Комп'ютерна рентгенівська томографія . Оснащений обчислювальної техніки осьовий томографічний сканер є найсучаснішим апаратом рентгенодіагностики, який дозволяє отримати чітке зображення будь-якої частини людського тіла, включаючи м'які тканини органів.

Перше покоління комп'ютерних томографів (КТ) включає спеціальну рентгенівську трубку, що прикріплена до циліндричної рами. На пацієнта спрямовують тонкий пучок рентгенівських променів. Два детектори рентгенівських променів прикріплені до протилежного боку рами. Пацієнт знаходиться в центрі рами, яка може обертатися на 1800 навколо його тіла.

Рентгенівський промінь проходить через нерухомий об'єкт. Детектори отримують та записують показники поглинання різних тканин. Записи роблять 160 разів, поки рентгенівська трубка переміщається лінійно вздовж сканованої площини. Потім рама повертається на 10 і процедура повторюється. Запис триває, доки рама не повернеться на 180 0 . Кожен детектор записує 28 800 кадрів (180x160) протягом дослідження. Інформація обробляється комп'ютером, та за допомогою спеціальної комп'ютерної програми формується зображення вибраного шару.

Друге покоління КТ використовує кілька пучків рентгенівських променів та до 30 їх детекторів. Це дозволяє прискорити процес дослідження до 18 секунд.

У третьому поколінні КТ використовується новий принцип. Широкий пучок рентгенівських променів у формі віяла перекриває досліджуваний об'єкт, і рентгенівське випромінювання, що пройшло крізь тіло, записується декількома сотнями детекторів. Час, необхідний дослідження, скорочується до 5-6 секунд.

КТ має безліч переваг у порівнянні з більш ранніми методами рентгенодіагностики. Вона характеризується високою роздільною здатністю, яка дає можливість розрізняти тонкі зміни м'яких тканин. КТ дозволяє виявити такі патологічні процеси, які можуть бути виявлені іншими методами. Крім того, використання КТ дозволяє зменшити дозу рентгенівського випромінювання, одержуваного у процесі діагностики пацієнтами.

Природа рентгенівського випромінювання

Гальмівне рентгенівське випромінювання, його спектральні властивості.

Характеристичне рентгенівське випромінювання (для ознайомлення).

Взаємодія рентгенівського випромінювання із речовиною.

Фізичні основи використання рентгенівського випромінювання у медицині.

Рентгенівське випромінювання (X – промені) відкриті К. Рентгеном, який у 1895 р. став першим Нобелівським лауреатом з фізики.

1. Природа рентгенівського випромінювання

Рентгенівське випромінювання - Електромагнітні хвилі з довжиною від 80 до 10-5 нм. Довгохвильове рентгенівське випромінювання перекривається короткохвильовим УФ випромінюванням, короткохвильове – довгохвильовим -випромінюванням.

Рентгенівське випромінювання одержують у рентгенівських трубках. рис.1.

К – катод

1 – пучок електронів

2-рентгенівське випромінювання

Рис. 1. Влаштування рентгенівської трубки.

Трубка являє собою скляну колбу (з можливо високим вакуумом: тиск у ній близько 10 -6 мм.рт.ст.) з двома електродами: анодом А і катодом К, до яких прикладено високу напругу U (кілька тисяч вольт). Катод є джерелом електронів (з допомогою явища термоелектронної емісії). Анод – металевий стрижень, має похилу поверхню для того, щоб спрямовувати рентгенівське випромінювання під кутом до осі трубки. Він виготовляється з теплопровідного матеріалу для відведення теплоти, що утворюється при бомбардуванні електронів. На скошеному торці є пластинка з тугоплавкого металу (наприклад, вольфраму).

Сильний розігрів анода обумовлений тим, що основна кількість електронів у катодному пучку, потрапивши на анод, зазнає численних зіткнень з атомами речовини і передає їм велику енергію.

Під впливом високої напруги електрони, випущені розпеченою ниткою катода, прискорюються до величезних енергій. Кінетична енергія електрона дорівнює mv2/2. Вона дорівнює енергії, яку він купує, рухаючись в електростатичному полі трубки:

mv 2 /2 = eU (1)

де m, e – маса та заряд електрона, U – прискорююча напруга.

Процеси, що призводять до виникнення гальмівного рентгенівського випромінювання, зумовлені інтенсивним гальмуванням електронів у речовині анода електростатичним полем атомного ядра та атомарних електронів.

Механізм виникнення можна уявити так. Електрони, що рухаються - це деякий струм, що утворює своє магнітне поле. Уповільнення електронів – зниження сили струму і, зміна індукції магнітного поля, що викликає виникнення змінного електричного поля, тобто. Виникнення електромагнітної хвилі.

Таким чином, коли заряджена частка влітає в речовину, вона гальмується, втрачає свою енергію і швидкість і випромінює електромагнітні хвилі.

1. Спектральні властивості гальмівного рентгенівського випромінювання.

Отже, у разі гальмування електрона у речовині анода виникає гальмівне рентгенівське випромінювання.

Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання є суцільним. Причина цього у наступному.

При гальмуванні електронів у кожного частина енергії йде на нагрівання анода (Е 1 = Q), інша частина створення фотона рентгенівського випромінювання (Е 2 = hv), інакше, eU = hv + Q. Співвідношення між цими частинами випадкове.

Таким чином, безперервний спектр гальмівного рентгенівського випромінювання утворюється завдяки гальмуванням безлічі електронів, кожен з яких випускає один квант рентгенівського випромінювання hv (h) строго певної величини. Величина цього кванта різна для різних електронів. p align="justify"> Залежність потоку енергії рентгенівського випромінювання від довжини хвилі , тобто. Спектр рентгенівського випромінювання представлений на рис.2.

Рис.2. Спектр гальмівного рентгенівського випромінювання: а) при різній напрузі U в трубці; б) за різної температури Т катода.

Короткохвильове (жорстке) випромінювання має більшу проникаючу здатність, ніж довгохвильове (м'яке). М'яке випромінювання сильніше поглинається речовиною.

З боку коротких довжин хвиль спектр різко обривається на певній довжині хвилі  m i n. Таке короткохвильове гальмівне випромінювання виникає тоді, коли енергія, придбана електроном у полі, що прискорює, повністю переходить в енергію фотона (Q = 0):

eU = hv max = hc/ min ,  min = hc/(eU), (2)

 min (нм) = 1,23/UкВ

Спектральний склад випромінювання залежить від величини напруги на рентгенівській трубці, зі збільшенням напруги значення  m i n зміщується у бік коротких довжин хвиль (рис. 2a).

При зміні температури Т накалу катода зростає емісія електронів. Отже, збільшується струм I трубці, але спектральний склад випромінювання не змінюється (рис. 2б).

Потік енергії Ф  гальмівного випромінювання прямо пропорційний квадрату напруги U між анодом та катодом, силі струму I у трубці та атомному номеру Z речовини анода:

Ф = kZU 2 I. (3)

де k = 10 -9 Вт / (В 2 А).

Рентгенівське випромінювання виникає при взаємодії електронів, що рухаються з великими швидкостями, з речовиною. Коли електрони стикаються з атомами будь-якої речовини, вони швидко втрачають свою кінетичну енергію. У цьому більша її частина перетворюється на тепло, а невелика частка, зазвичай менше 1%, перетворюється на енергію рентгенівського випромінювання. Ця енергія вивільняється у формі квантів - частинок, званих фотонами, які мають енергію, але маса спокою яких дорівнює нулю. Рентгенівські фотони відрізняються своєю енергією, обернено пропорційною їх довжині хвилі. При звичайному способі одержання рентгенівського випромінювання одержують широкий діапазон довжин хвиль, який називають рентгенівським спектром. У спектрі є яскраво виражені компоненти, як це показано на рис. 1.

Рис. 1. ЗВИЧАЙНИЙ РЕНТГЕНІВСЬКИЙ СПЕКТР складається з безперервного спектру (континууму) та характеристичних ліній (гострі піки). Лінії Кia та Кib виникають внаслідок взаємодій прискорених електронів з електронами внутрішньої К-оболонки.

Широкий континуум називають безперервним спектром або білим випромінюванням. Гострі піки, що накладаються на нього, називаються характеристичними рентгенівськими лініями випромінювання. Хоча весь спектр є результатом зіткнень електронів з речовиною, механізми виникнення його широкої частини та ліній різні. Речовина складається з великої кількості атомів, кожен з яких має ядро, оточене електронними оболонками, причому кожен електрон в оболонці атома даного елемента займає певний дискретний рівень енергії. Зазвичай, ці оболонки, або енергетичні рівні, позначають символами K, L, M і т.д., починаючи від найближчої до ядра оболонки. Коли налітаючий електрон, що має досить велику енергію, співпадає з одним із пов'язаних з атомом електронів, він вибиває цей електрон з його оболонки. Спустілі місце займає інший електрон з оболонки, якій відповідає велика енергія. Цей останній віддає надлишок енергії, випромінюючи рентгенівський фотон. Оскільки електрони оболонок мають дискретні значення енергії, рентгенівські фотони, що виникають, теж мають дискретний спектр. Цьому відповідають гострі піки для певних довжин хвиль, конкретні значення яких залежить від елемента-мишени. Характеристичні лінії утворюють K-, L- та M-серії, залежно від того, з якої оболонки (K, L або M) був видалений електрон. Співвідношення між довжиною хвилі рентгенівського випромінювання та атомним номером називається законом Мозлі (рис. 2).

Рис. 2. ДОВжина ХВИЛИ ХАРАКТЕРИСТИЧНОГО РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ, що випускається хімічними елементами, залежить від атомного номера елемента. Крива відповідає закону Мозлі: що більший атомний номер елемента, то менша довжина хвилі характеристичної лінії.

Якщо електрон наштовхується на відносно важке ядро, він гальмується, яке кінетична енергія виділяється як рентгенівського фотона приблизно тієї ж енергії. Якщо ж він пролетить повз ядро, то втратить лише частину своєї енергії, а решту буде передавати іншим атомам, що трапляються на його шляху. Кожен акт втрати енергії веде до випромінювання фотону з якоюсь енергією. Виникає безперервний рентгенівський спектр, верхня межа якого відповідає енергії найшвидшого електрона. Такий механізм утворення безперервного спектру, а максимальна енергія (або мінімальна довжина хвилі), що фіксує межу безперервного спектра, пропорційна прискорювальної напруги, яким визначається швидкість електронів, що налітають. Спектральні лінії характеризують матеріал мішені, що бомбардується, а безперервний спектр визначається енергією електронного пучка і практично не залежить від матеріалу мішені.

Рентгенівське випромінювання можна отримувати не тільки електронним бомбардуванням, але й опроміненням мішені рентгенівським випромінюванням від іншого джерела. В цьому випадку, однак, більша частина енергії падаючого пучка переходить у характеристичний рентгенівський спектр і дуже мала її частка припадає на безперервний. Очевидно, що пучок падаючого рентгенівського випромінювання повинен містити фотони, енергія яких достатня для порушення характеристичних ліній елемента, що бомбардується. Високий відсоток енергії, що припадає на характеристичний спектр, робить такий спосіб порушення рентгенівського випромінювання зручним для наукових досліджень.

Рентгенівські трубки. Щоб отримувати рентгенівське випромінювання з допомогою взаємодії електронів з речовиною, необхідно мати джерело електронів, засоби прискорення до високих швидкостей і мета, здатну витримувати електронну бомбардування і давати рентгенівське випромінювання необхідної інтенсивності. Пристрій, де все це є, називається рентгенівською трубкою. Ранні дослідники користувалися "глибоко вакуумованими" трубками типу сучасних газорозрядних. Вакуум у них був не дуже високий.

У газорозрядних трубках міститься невелика кількість газу, і коли на електроди трубки подається велика різниця потенціалів, атоми газу перетворюються на позитивні та негативні іони. Позитивні рухаються до негативного електрода (катода) і, падаючи на нього, вибивають з нього електрони, а вони, у свою чергу, рухаються до позитивного електрода (анода) і, бомбардуючи його, створюють потік рентгенівських фотонів.

У сучасній рентгенівській трубці, розробленій Куліджем (рис. 3), джерелом електронів є вольфрамовий катод, що нагрівається до високої температури. Електрони прискорюються до великих швидкостей високою різницею потенціалів між анодом (або антикатодом) та катодом. Оскільки електрони мають досягти анода без зіткнень з атомами, необхідний дуже високий вакуум, для чого потрібно добре відкачати трубку. Цим також знижуються ймовірність іонізації атомів газу, що залишилися, і зумовлені нею побічні струми.

Рис. 3. РЕНТГЕНІВСЬКА ТРУБКА КУЛІДЖА. При бомбардуванні електронами вольфрамовий антикатод випромінює характеристичне рентгенівське випромінювання. Поперечний переріз рентгенівського пучка менше реально опромінюваної площі. 1 – електронний пучок; 2 - катод з фокусуючим електродом; 3 – скляна оболонка (трубка); 4 - вольфрамова мета (антикатод); 5 - нитка накалу катода; 6 - реально опромінювана площа; 7 - ефективна фокальна пляма; 8 – мідний анод; 9 – вікно; 10 – розсіяне рентгенівське випромінювання.

Електрони фокусуються на аноді за допомогою електрода особливої ​​форми, що оточує катод. Цей електрод називається фокусуючим і разом із катодом утворює «електронний прожектор» трубки. Анод, що піддається електронному бомбардуванню, повинен бути виготовлений з тугоплавкого матеріалу, оскільки більша частина кінетичної енергії бомбардуючих електронів перетворюється на тепло. З іншого боку, бажано, щоб анод був із матеріалу з великим атомним номером, т.к. Вихід рентгенівського випромінювання зростає зі збільшенням атомного номера. Як матеріал анода найчастіше вибирається вольфрам, атомний номер якого дорівнює 74.

Конструкція рентгенівських трубок може бути різною залежно від умов застосування і вимог.