Čo vieme o röntgenových lúčoch?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

V 19. storočí sa ľudskému oku neviditeľné žiarenie, schopné prenikať cez mäso a iné materiály, javilo ako niečo úplne fantastické. Teraz sa röntgenové lúče široko používajú na vytváranie lekárskych snímok, vykonávanie radiačnej terapie, analýzu umeleckých diel a riešenie problémov jadrovej energie.

Ako bolo objavené röntgenové žiarenie a ako pomáha ľuďom - zisťujeme spolu s fyzikom Alexandrom Nikolaevičom Dolgovom.

Objav röntgenových lúčov

Od konca 19. storočia začala veda zohrávať zásadne novú úlohu pri formovaní obrazu sveta. Pred storočím mala činnosť vedcov amatérsky a súkromný charakter. Koncom 18. storočia sa však veda v dôsledku vedecko-technickej revolúcie zmenila na systematickú činnosť, v ktorej sa vďaka prispeniu mnohých odborníkov stal možný každý objav.

Začali vznikať výskumné ústavy, periodické vedecké časopisy, vznikla konkurencia a boj o uznanie autorských práv na vedecké úspechy a technické inovácie. Všetky tieto procesy sa odohrávali v Nemeckej ríši, kde cisár koncom 19. storočia podporoval vedecké úspechy, ktoré zvýšili prestíž krajiny na svetovej scéne.

Jedným z vedcov, ktorí v tomto období pracovali s nadšením, bol profesor fyziky, rektor univerzity vo Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. novembra 1895 zostal neskoro v laboratóriu, ako sa to často stávalo, a rozhodol sa vykonať experimentálnu štúdiu elektrického výboja v sklenených vákuových trubiciach. Zatemnil miestnosť a jednu z trubíc zabalil do nepriehľadného čierneho papiera, aby bolo možné ľahšie pozorovať optické javy, ktoré výboj sprevádzajú. Na moje prekvapenie

Roentgen videl fluorescenčný pás na neďalekej obrazovke pokrytý kryštálmi kyanoplatinitu bárnatého. Je nepravdepodobné, že by si potom vedec dokázal predstaviť, že bol na pokraji jedného z najdôležitejších vedeckých objavov svojej doby. Budúci rok sa o röntgene napíše cez tisíc publikácií, lekári okamžite uvedú vynález do prevádzky, v budúcnosti sa vďaka nemu objaví rádioaktivita a objavia sa nové smery vedy.

Roentgen venoval niekoľko nasledujúcich týždňov skúmaniu povahy nepochopiteľnej žiary a zistil, že fluorescencia sa objavila vždy, keď použil prúd na trubicu. Zdrojom žiarenia bola trubica, nie nejaká iná časť elektrického obvodu. Keďže Roentgen nevedel, čomu čelí, rozhodol sa tento jav označiť ako röntgenové lúče alebo röntgenové lúče. Ďalej Roentgen zistil, že toto žiarenie môže preniknúť takmer všetkými objektmi do rôznych hĺbok, v závislosti od hrúbky objektu a hustoty látky.

Ukázalo sa teda, že malý olovený kotúč medzi výbojovou trubicou a obrazovkou je nepriepustný pre röntgenové lúče a kosti ruky vrhajú na obrazovku tmavší tieň, obklopený svetlejším tieňom z mäkkých tkanív. Čoskoro vedec zistil, že röntgenové lúče spôsobujú nielen žiaru obrazovky pokrytej kyanoplatinitom bárnatým, ale aj stmavnutie fotografických platní (po vyvolaní) na miestach, kde röntgenové lúče dopadali na fotografickú emulziu.

Počas svojich experimentov bol Roentgen presvedčený, že objavil vedu neznáme žiarenie. 28. decembra 1895 informoval o výsledkoch výskumu v článku „O novom type žiarenia“v časopise Annals of Physics and Chemistry. Zároveň poslal vedcom snímky ruky svojej manželky Anny Berthy Ludwigovej, ktorá sa neskôr preslávila.

Vďaka Roentgenovmu starému priateľovi, rakúskemu fyzikovi Franzovi Exnerovi, mohli obyvatelia Viedne ako prví vidieť tieto fotografie 5. januára 1896 na stránkach novín Die Presse. Hneď na druhý deň bola informácia o otvorení prenesená do novín London Chronicle. Takže objav Roentgena postupne začal vstupovať do každodenného života ľudí. Praktické uplatnenie sa našlo takmer okamžite: 20. januára 1896 lekári v New Hampshire ošetrili muža so zlomenou rukou pomocou novej diagnostickej metódy – röntgenu.

Včasné použitie röntgenových lúčov

V priebehu niekoľkých rokov sa röntgenové snímky začali aktívne využívať na presnejšie operácie. Už 14 dní po ich otvorení urobil Friedrich Otto Valkhoff prvý röntgen zubov. A potom spolu s Fritzom Gieselom založili prvé zubné röntgenové laboratórium na svete.

V roku 1900, 5 rokov po jeho objave, sa používanie röntgenových lúčov v diagnostike považovalo za neoddeliteľnú súčasť lekárskej praxe.

Štatistiky, ktoré zostavila najstaršia nemocnica v Pensylvánii, možno považovať za vypovedajúce o šírení technológií založených na röntgenovom žiarení. Podľa nej v roku 1900 dostalo pomoc röntgenom len asi 1-2 % pacientov, kým v roku 1925 ich už bolo 25 %.

Röntgenové lúče sa na tú dobu používali veľmi nezvyčajným spôsobom. Používali sa napríklad na poskytovanie služieb odstraňovania chĺpkov. Dlho sa táto metóda považovala za výhodnejšiu v porovnaní s tými bolestivejšími - kliešťami alebo voskom. Okrem toho sa röntgenové žiarenie používa v prístrojoch na úpravu obuvi - skúšobných fluoroskopoch (pedoskopoch). Išlo o röntgenové prístroje so špeciálnym zárezom na chodidlá, ako aj okienka, cez ktoré klient a predajcovia mohli hodnotiť, ako topánky sadli.

Skoré používanie röntgenového zobrazovania z hľadiska modernej bezpečnosti vyvoláva veľa otázok. Problém bol v tom, že v čase objavu röntgenového žiarenia sa o žiarení a jeho dôsledkoch nevedelo prakticky nič, a preto priekopníci, ktorí nový vynález používali, čelili na vlastnej skúsenosti jeho škodlivým účinkom. Negatívne dôsledky zvýšenej expozície sa stal masovým fenoménom na prelome 19. storočia a ľudia si postupne začali uvedomovať nebezpečenstvo bezduchého používania röntgenového žiarenia.

Povaha röntgenových lúčov

Röntgenové žiarenie je elektromagnetické žiarenie s energiami fotónov od ~ 100 eV do 250 keV, ktoré leží na škále elektromagnetických vĺn medzi ultrafialovým žiarením a gama žiarením. Je súčasťou prirodzeného žiarenia, ktoré vzniká v rádioizotopoch pri excitácii atómov prvkov prúdom elektrónov, častíc alfa alebo gama kvánt, pri ktorých dochádza k vyvrhovaniu elektrónov z elektrónových obalov atómu. Röntgenové žiarenie vzniká, keď sa nabité častice pohybujú zrýchlením, najmä pri spomalení elektrónov, v elektrickom poli atómov látky.

Rozlišujú sa mäkké a tvrdé röntgenové lúče, ktorých podmienená hranica na stupnici vlnových dĺžok je asi 0,2 nm, čo zodpovedá energii fotónu asi 6 keV. Röntgenové žiarenie je pre svoju krátku vlnovú dĺžku prenikajúce aj ionizujúce, pretože pri prechode látkou interaguje s elektrónmi, vyraďuje ich z atómov, čím ich štiepi na ióny a elektróny a mení štruktúru látky. ktoré pôsobí.

Röntgenové lúče spôsobujú, že chemická zlúčenina nazývaná fluorescencia žiari. Ožarovanie atómov vzorky vysokoenergetickými fotónmi spôsobuje emisiu elektrónov - opúšťajú atóm. V jednom alebo viacerých elektrónových orbitáloch sa vytvárajú "diery" - vakancie, vďaka ktorým sa atómy dostanú do excitovaného stavu, to znamená, že sa stanú nestabilnými. O milióny sekundy neskôr sa atómy vrátia do stabilného stavu, keď sa voľné miesta vo vnútorných orbitáloch zaplnia elektrónmi z vonkajších orbitálov.

Tento prechod je sprevádzaný emisiou energie vo forme sekundárneho fotónu, a preto vzniká fluorescencia.

Röntgenová astronómia

Na Zemi sa s röntgenovým lúčom stretávame len zriedka, no vo vesmíre sa vyskytuje pomerne často. Tam sa vyskytuje prirodzene v dôsledku činnosti mnohých vesmírnych objektov. To umožnilo röntgenovú astronómiu. Energia röntgenových fotónov je oveľa vyššia ako optická, preto v oblasti röntgenového žiarenia emituje látku zahriatu na extrémne vysoké teploty.

Tieto kozmické zdroje röntgenového žiarenia nie sú pre nás postrehnuteľnou súčasťou prirodzeného žiarenia pozadia, a preto človeka nijako neohrozujú. Jedinou výnimkou môže byť taký zdroj tvrdého elektromagnetického žiarenia, akým je výbuch supernovy, ku ktorému došlo dostatočne blízko slnečnej sústavy.

Ako vytvoriť röntgenové lúče umelo?

Röntgenové prístroje sú stále široko používané na nedeštruktívnu introskopiu (röntgenové snímky v medicíne, detekcia chýb v technike). Ich hlavnou súčasťou je röntgenová trubica, ktorá pozostáva z katódy a anódy. Rúrkové elektródy sú pripojené k zdroju vysokého napätia, zvyčajne desiatok alebo dokonca stoviek tisíc voltov. Pri zahrievaní katóda vyžaruje elektróny, ktoré sú urýchľované generovaným elektrickým poľom medzi katódou a anódou.

Pri zrážke s anódou sa elektróny spomaľujú a strácajú väčšinu svojej energie. V tomto prípade sa objaví brzdné žiarenie v rozsahu röntgenového žiarenia, ale prevažná časť energie elektrónu sa premení na teplo, takže anóda sa ochladí.

Röntgenová trubica konštantného alebo pulzného pôsobenia je stále najrozšírenejším zdrojom röntgenového žiarenia, no zďaleka nie jediným. Na získanie pulzov žiarenia vysokej intenzity sa používajú vysokoprúdové výboje, pri ktorých je plazmový kanál pretekajúceho prúdu stláčaný vlastným magnetickým poľom prúdu - tzv.

Ak výboj prebieha v prostredí ľahkých prvkov, napríklad vo vodíkovom prostredí, potom zohráva úlohu účinného urýchľovača elektrónov elektrickým poľom vznikajúcim vo výboji samotnom. Tento výboj môže výrazne prekročiť pole generované externým zdrojom prúdu. Takto sa získavajú impulzy tvrdého röntgenového žiarenia s vysokou energiou generovaných kvánt (stovky kiloelektronvoltov), ktoré majú vysokú prenikavú silu.

Na získanie röntgenového žiarenia v širokom spektrálnom rozsahu sa používajú elektrónové urýchľovače - synchrotróny. Žiarenie v nich vzniká vo vnútri prstencovej vákuovej komory, v ktorej sa po kruhovej dráhe pohybuje úzko nasmerovaný lúč vysokoenergetických elektrónov, zrýchlený takmer na rýchlosť svetla. Letiace elektróny pri rotácii pod vplyvom magnetického poľa vyžarujú zväzky fotónov tangenciálne k obežnej dráhe v širokom spektre, ktorého maximum spadá do oblasti röntgenového žiarenia.

Ako sa zisťujú röntgenové lúče

Na detekciu a meranie röntgenového žiarenia sa dlho používala tenká vrstva fosforu alebo fotografická emulzia nanesená na povrch sklenenej dosky alebo priehľadného polymérneho filmu. Prvý svietil v optickej oblasti spektra pôsobením röntgenového žiarenia, pričom sa vo filme pôsobením chemickej reakcie zmenila optická priehľadnosť povlaku.

V súčasnosti sa na registráciu röntgenového žiarenia najčastejšie používajú elektronické detektory – zariadenia, ktoré pri pohltení kvanta žiarenia v citlivom objeme detektora generujú elektrický impulz. Líšia sa princípom premeny energie absorbovaného žiarenia na elektrické signály.

Röntgenové detektory s elektronickou registráciou možno rozdeliť na ionizačné, ktorých pôsobenie je založené na ionizácii látky a rádioluminiscenčné vrátane scintilácie využívajúce luminiscenciu látky pôsobením ionizujúceho žiarenia. Ionizačné detektory sa zas v závislosti od detekčného média delia na plnené plynom a polovodičové.

Hlavnými typmi plynom naplnených detektorov sú ionizačné komory, Geigerove počítadlá (Geiger-Mullerove počítadlá) a proporcionálne počítadlá plynových výbojov. Kvantá žiarenia vstupujúce do pracovného prostredia počítadla spôsobujú ionizáciu plynu a tok prúdu, ktorý je zaznamenávaný. V polovodičovom detektore sa pôsobením kvánt žiarenia vytvárajú páry elektrón-diera, ktoré umožňujú aj tok elektrického prúdu cez telo detektora.

Hlavnou súčasťou scintilačných čítačov vo vákuovom zariadení je fotonásobič (PMT), ktorý využíva fotoelektrický efekt na premenu žiarenia na prúd nabitých častíc a fenomén emisie sekundárnych elektrónov na zvýšenie prúdu generovaných nabitých častíc. Fotonásobič má fotokatódu a sústavu sekvenčných urýchľovacích elektród - dynód, na ktoré sa pri dopade množia zrýchlené elektróny.

Sekundárny elektrónový multiplikátor je zariadenie s otvoreným vákuom (funguje iba za podmienok vákua), v ktorom sa röntgenové žiarenie na vstupe premieňa na prúd primárnych elektrónov a potom sa zosilňuje sekundárnou emisiou elektrónov, ktoré sa šíria v kanáli multiplikátora..

Mikrokanálové doštičky, čo je veľké množstvo samostatných mikroskopických kanálikov, ktoré prenikajú doskovým detektorom, fungujú na rovnakom princípe. Dokážu dodatočne zabezpečiť priestorové rozlíšenie a vytvorenie optického obrazu prierezu toku dopadajúceho na detektor röntgenového žiarenia bombardovaním odchádzajúceho toku elektrónov z polopriepustnej clony s naneseným fosforom.

Röntgenové lúče v medicíne

Schopnosť röntgenových lúčov presvitať cez hmotné predmety nielen dáva ľuďom možnosť vytvárať jednoduché röntgenové lúče, ale otvára aj možnosti pre pokročilejšie diagnostické nástroje. Je napríklad jadrom počítačovej tomografie (CT).

Zdroj a prijímač röntgenového žiarenia sa otáčajú vo vnútri prstenca, v ktorom leží pacient. Získané údaje o tom, ako tkanivá tela absorbujú röntgenové žiarenie, počítač zrekonštruuje do 3D obrazu. CT je obzvlášť dôležité na diagnostiku cievnej mozgovej príhody a hoci je menej presné ako zobrazovanie mozgu magnetickou rezonanciou, trvá oveľa menej času.

Relatívne novým smerom, ktorý sa teraz rozvíja v mikrobiológii a medicíne, je využitie mäkkého röntgenového žiarenia. Keď je živý organizmus priesvitný, umožňuje to získať obraz krvných ciev, podrobne študovať štruktúru mäkkých tkanív a dokonca vykonávať mikrobiologické štúdie na bunkovej úrovni.

Röntgenový mikroskop využívajúci žiarenie zo štipkového výboja v plazme ťažkých prvkov umožňuje vidieť také detaily štruktúry živej bunky,ktoré nie je možné vidieť elektrónovým mikroskopom ani v špeciálne upravenej bunkovej štruktúre.

Jeden z typov radiačnej terapie používanej na liečbu malígnych nádorov využíva tvrdé röntgenové lúče, čo je možné vďaka jeho ionizujúcemu účinku, ktorý ničí tkanivo biologického objektu. V tomto prípade sa ako zdroj žiarenia používa urýchľovač elektrónov.

Rádiografia v technike

Mäkké röntgenové lúče sa využívajú vo výskume zameranom na riešenie problému riadenej termonukleárnej fúzie. Na spustenie procesu je potrebné vytvoriť spätnú rázovú vlnu ožiarením malého terča s deutériom a tríciom mäkkými röntgenovými lúčmi z elektrického výboja a okamžitým zahriatím plášťa tohto terča do plazmového stavu.

Táto vlna stlačí cieľový materiál na hustotu tisíckrát vyššiu ako hustota pevnej látky a zohreje ho na termonukleárnu teplotu. K uvoľneniu energie termonukleárnej fúzie dochádza v krátkom čase, pričom horúca plazma sa rozptýli zotrvačnosťou.

Schopnosť priesvitnosti umožňuje rádiografiu - zobrazovaciu techniku, ktorá umožňuje zobraziť vnútornú štruktúru nepriehľadného predmetu vyrobeného napríklad z kovu. Okom sa nedá určiť, či sú mostné konštrukcie pevne zvarené, či je šev na plynovode vzduchotesný a či koľajnice k sebe tesne priliehajú.

Preto sa v priemysle používa röntgen na detekciu chýb - sledovanie spoľahlivosti hlavných pracovných vlastností a parametrov objektu alebo jeho jednotlivých prvkov, čo si nevyžaduje vyradenie objektu z prevádzky alebo jeho demontáž.

Röntgenová fluorescenčná spektrometria je založená na účinku fluorescencie - analytická metóda používaná na stanovenie koncentrácií prvkov od berýlia po urán v rozsahu od 0,0001 do 100 % v látkach rôzneho pôvodu.

Pri ožiarení vzorky silným tokom žiarenia z röntgenovej trubice sa objaví charakteristické fluorescenčné žiarenie atómov, ktoré je úmerné ich koncentrácii vo vzorke. V súčasnosti prakticky každý elektrónový mikroskop umožňuje bez problémov určiť podrobné elementárne zloženie študovaných mikroobjektov metódou röntgenovej fluorescenčnej analýzy.

Röntgenové lúče v dejinách umenia

Schopnosť röntgenových lúčov presvitať a vytvárať fluorescenčný efekt sa využíva aj pri štúdiu malieb. To, čo sa skrýva pod vrchným náterom, môže veľa napovedať o histórii vzniku plátna. Napríklad práve v šikovnej práci s niekoľkými vrstvami farby možno nájsť obraz jedinečný v diele umelca. Pri výbere najvhodnejších podmienok skladovania plátna je dôležité brať do úvahy aj štruktúru vrstiev maľby.

Na to všetko je nevyhnutné röntgenové žiarenie, ktoré vám umožní nahliadnuť pod horné vrstvy obrazu bez toho, aby ste mu ublížili.

Dôležitým vývojom v tomto smere sú nové metódy špecializované na prácu s umeleckými dielami. Makroskopická fluorescencia je variantom röntgenovej fluorescenčnej analýzy, ktorá sa dobre hodí na vizualizáciu distribučnej štruktúry kľúčových prvkov, najmä kovov, prítomných v oblastiach približne 0,5-1 štvorcový meter alebo viac.

Na druhej strane röntgenová laminografia, variant počítačovej röntgenovej tomografie, ktorý je vhodnejší na štúdium plochých povrchov, sa javí ako perspektívna na získanie obrazov jednotlivých vrstiev obrazu. Tieto metódy možno použiť aj na štúdium chemického zloženia vrstvy farby. To umožňuje datovanie plátna, a to aj s cieľom identifikovať falzifikát.

Röntgenové lúče vám umožňujú zistiť štruktúru látky

Röntgenová kryštalografia je vedecký smer spojený s identifikáciou štruktúry hmoty na atómovej a molekulárnej úrovni. Charakteristickým znakom kryštalických telies je viacnásobné usporiadané opakovanie v priestorovej štruktúre tých istých prvkov (buniek), ktoré pozostávajú z určitého súboru atómov, molekúl alebo iónov.

Hlavná výskumná metóda spočíva vo vystavení kryštalickej vzorky úzkemu zväzku röntgenových lúčov pomocou röntgenovej kamery. Výsledná fotografia ukazuje obraz difraktovaného röntgenového žiarenia prechádzajúceho cez kryštál, z ktorého potom vedci môžu vizuálne zobraziť jeho priestorovú štruktúru nazývanú kryštálová mriežka. Rôzne spôsoby implementácie tejto metódy sa nazývajú röntgenová štrukturálna analýza.

Röntgenová štrukturálna analýza kryštalických látok pozostáva z dvoch etáp:

1. Určenie veľkosti jednotkovej bunky kryštálu, počtu častíc (atómov, molekúl) v jednotkovej bunke a symetrie usporiadania častíc. Tieto údaje sa získajú analýzou geometrie umiestnenia difrakčných maxím.
2. Výpočet elektrónovej hustoty vo vnútri elementárnej bunky a určenie atómových súradníc, ktoré sa stotožňujú s polohou maxima elektrónovej hustoty. Tieto údaje sa získajú analýzou intenzity difrakčných maxím.

Niektorí molekulárni biológovia predpovedajú, že pri zobrazovaní najväčších a najzložitejších molekúl môže byť röntgenová kryštalografia nahradená novou technikou nazývanou kryogénna elektrónová mikroskopia.

Jedným z najnovších nástrojov v chemickej analýze bol Hendersonov filmový skener, ktorý použil vo svojej priekopníckej práci v kryogénnej elektrónovej mikroskopii. Táto metóda je však stále dosť drahá, a preto je nepravdepodobné, že by v blízkej budúcnosti úplne nahradila röntgenovú kryštalografiu.

Relatívne novou oblasťou výskumu a technických aplikácií spojených s využívaním röntgenového žiarenia je röntgenová mikroskopia. Je určený na získanie zväčšeného obrazu skúmaného objektu v reálnom priestore v dvoch alebo troch rozmeroch pomocou zaostrovacej optiky.

Difrakčný limit priestorového rozlíšenia v röntgenovej mikroskopii v dôsledku malej vlnovej dĺžky použitého žiarenia je asi 1000-krát lepší ako zodpovedajúca hodnota pre optický mikroskop. Prenikavá sila röntgenového žiarenia navyše umožňuje študovať vnútornú štruktúru vzoriek, ktoré sú pre viditeľné svetlo úplne nepriehľadné.

A hoci má elektrónová mikroskopia výhodu mierne vyššieho priestorového rozlíšenia, nejde o nedeštruktívnu metódu skúmania, keďže si vyžaduje vákuum a vzorky s kovovým alebo pokovovaným povrchom, čo je napríklad pre biologické objekty úplne deštruktívne.