Røntgenstråling

Røntgenstråling  - elektromagnetiske bølger , hvis fotonenergi ligger på skalaen af ​​elektromagnetiske bølger mellem ultraviolet stråling og gammastråling (fra ~ 10 eV til flere MeV), hvilket svarer til bølgelængder fra ~ 10 3 til ~ 10 −2 Å (fra ~ 10 2 op til ~ 10 −3 nm ) [1] .

Position på skalaen af ​​elektromagnetiske bølger

Energiområderne for røntgenstråler og gammastråler overlapper hinanden i et bredt energiområde. Begge typer stråling er elektromagnetisk stråling og svarer til den samme fotonenergi. Den terminologiske forskel ligger i forekomstmåden - røntgenstråler udsendes med deltagelse af elektroner (enten bundet i atomer eller frie), mens gammastråling udsendes i processerne med de-excitation af atomkerner . Fotoner med karakteristiske (det vil sige udsendt under overgange i atomernes elektronskaller) Røntgenstråling har energier fra 10  eV til 250 keV , hvilket svarer til stråling med en frekvens på 3⋅10 16 til 3⋅10 19  Hz og en bølgelængde på 0,005-100  nm (generelt anerkendt definition er der ingen nedre grænse for røntgenområdet i bølgelængdeskalaen). Blød røntgenstråling er karakteriseret ved den laveste fotonenergi og strålingsfrekvens (og den længste bølgelængde), mens hård røntgenstråling har den højeste fotonenergi og strålingsfrekvens (og den korteste bølgelængde). Hårde røntgenstråler bruges primært til industrielle formål. Den betingede grænse mellem bløde og hårde røntgenstråler på bølgelængdeskalaen er omkring 2 Å ( ≈6 keV ) [1] .

Laboratoriekilder

Røntgenrør

Røntgenstråler opstår fra stærk acceleration af ladede partikler ( bremsstrahlung ) eller fra højenergiovergange i atomers eller molekylers elektronskaller . Begge effekter bruges i røntgenrør . De vigtigste strukturelle elementer i sådanne rør er en metalkatode og en anode (tidligere også kaldet en antikatode ). I røntgenrør accelereres elektroner udsendt fra katoden af ​​den elektriske potentialforskel mellem anode og katode (der udsendes ingen røntgenstråler, fordi accelerationen er for lav) og rammer anoden, hvor de brat bremses. I dette tilfælde genereres bremsstrahlung i røntgenområdet med et kontinuerligt spektrum, og elektroner slås samtidigt ud af de indre elektronskaller af anodeatomerne. Andre elektroner i atomet fra dets ydre skaller passerer til tomme steder (ledige) i skallerne, hvilket fører til emission af røntgenstråling med et linjeenergispektrum, der er karakteristisk for anodematerialet ( karakteristisk stråling , hvis frekvenser bestemmes af Moseley 's lov : hvor Z  er anodeelementets atomnummer , A og B  er konstanter for en bestemt værdi af elektronskallens hovedkvantetal n ). På nuværende tidspunkt er anoder hovedsageligt lavet af keramik , og den del, hvor elektronerne rammer, er lavet af molybdæn eller kobber .

I processen med acceleration-deceleration går kun omkring 1 % af en elektrons kinetiske energi til røntgenstråler, 99 % af energien omdannes til varme.

Partikelacceleratorer

Røntgenstråler kan også opnås i partikelacceleratorer . Den såkaldte synkrotronstråling opstår, når en stråle af partikler i et magnetfelt afbøjes , som et resultat af, at de oplever acceleration i en retning vinkelret på deres bevægelse. Synkrotronstråling har et kontinuerligt spektrum med en øvre grænse. Med passende valgte parametre (størrelsen af ​​det magnetiske felt og partiklernes energi) kan røntgenstråler også opnås i spektret af synkrotronstråling.

Interaktion med stof

Bølgelængden af ​​røntgenstråler er sammenlignelig med størrelsen af ​​atomer, så der er intet materiale, der kan bruges til at lave en røntgenlinse . Når røntgenstråler indfalder vinkelret på overfladen, reflekteres de desuden næsten ikke. På trods af dette er der i røntgenoptik fundet metoder til at konstruere optiske elementer til røntgenstråler. Især viste det sig, at diamant afspejler dem godt [3] .

Røntgenstråler kan trænge igennem stof, og forskellige stoffer absorberer dem forskelligt. Absorptionen af ​​røntgenstråler er deres vigtigste egenskab ved røntgenfotografering. Intensiteten af ​​røntgenstråler falder eksponentielt afhængigt af vejen tilbage i det absorberende lag ( I = I 0 e -kd , hvor d  er lagtykkelsen, koefficienten k er proportional med Z ³λ³ , Z  er grundstoffets atomnummer , λ  er bølgelængden).

Absorption opstår som et resultat af fotoabsorption ( fotoelektrisk effekt ) og Compton-spredning :

• Fotoabsorption forstås som processen med at slå en elektron ud af et atoms skal af en foton, hvilket kræver, at fotonenergien er større end en vis minimumsværdi. Hvis vi overvejer sandsynligheden for absorptionshandlingen afhængigt af fotonens energi, så når en vis energi nås, stiger den (sandsynligheden) kraftigt til dens maksimale værdi. For højere energier falder sandsynligheden løbende. På grund af denne afhængighed siger de, at der er en absorptionsgrænse . Pladsen for den elektron, der slås ud under absorptionshandlingen, optages af en anden elektron, mens der udsendes stråling med en lavere fotonenergi, den såkaldte. fluorescensproces . _
• En røntgenfoton kan interagere ikke kun med bundne elektroner, men også med frie og svagt bundne elektroner. Der sker en spredning af fotoner på elektroner – de såkaldte. Compton spredning . Afhængigt af spredningsvinklen stiger bølgelængden af ​​en foton med en vis mængde, og energien falder følgelig. Comptonspredning, sammenlignet med fotoabsorption, bliver fremherskende ved højere fotonenergier [4] .

Biologisk påvirkning

Røntgenstråling er ioniserende . Det påvirker levende organismers væv og kan forårsage strålingssyge , strålingsforbrændinger og ondartede tumorer . Af denne grund skal der træffes beskyttelsesforanstaltninger ved arbejde med røntgenstråler . Det menes, at skaden er direkte proportional med den absorberede strålingsdosis. Røntgenstråling er en mutagen faktor.

Registrering

• Luminescens effekt . Røntgenstråler kan få nogle stoffer til at gløde (fluorescens). Denne effekt bruges i medicinsk diagnostik under fluoroskopi (observation af et billede på en fluorescerende skærm) og røntgenfotografering ( radiografi ). Medicinske fotografiske film bruges som regel i kombination med intensiverende skærme, som inkluderer røntgenfosfor, som lyser under påvirkning af røntgenstråler og belyser den lysfølsomme emulsion . Metoden til at opnå et billede i naturlig størrelse kaldes radiografi. Med fluorografi opnås billedet i reduceret skala. Et selvlysende stof ( scintillator ) kan forbindes optisk med en elektronisk lysdetektor ( fotomultiplikatorrør , fotodiode osv.), den resulterende enhed kaldes en scintillationsdetektor . Det giver dig mulighed for at registrere individuelle fotoner og måle deres energi, da energien af ​​et scintillationsflash er proportional med energien af ​​en absorberet foton.
• fotografisk effekt. Røntgenstråler, såvel som almindeligt lys, er i stand til direkte at belyse den fotografiske emulsion. Men uden det fluorescerende lag kræver dette 30 til 100 gange eksponeringen (det vil sige dosis). Fordelen ved denne metode (kendt som skærmløs radiografi ) er, at billedet er skarpere.
• I halvlederdetektorer danner røntgenstråler elektron- hul-par i pn-forbindelsen af ​​en diode forbundet i blokeringsretningen. I dette tilfælde flyder en lille strøm , hvis amplitude er proportional med energien og intensiteten af ​​den indfaldende røntgenstråling. I den pulserede tilstand er det muligt at registrere individuelle røntgenfotoner og måle deres energi.
• Individuelle røntgenfotoner kan også registreres ved hjælp af gasfyldte detektorer af ioniserende stråling ( geigertæller , proportionalkammer osv.).

Ansøgning

• Ved hjælp af røntgenstråler kan du "oplyse" den menneskelige krop, som et resultat af hvilket du kan få et billede af knoglerne , og i moderne instrumenter og indre organer (se også radiografi og fluoroskopi ). Dette bruger det faktum, at grundstoffet calcium ( Z = 20 ), der hovedsageligt er indeholdt i knoglerne, har et atomnummer, der er meget større end atomnumrene for de grundstoffer, der udgør blødt væv, nemlig brint ( Z = 1 ), kulstof ( Z = 6 ). ), nitrogen ( Z = 7 ), oxygen ( Z = 8 ). Ud over konventionelle enheder, der giver en todimensionel projektion af det undersøgte objekt, er der computertomografer , der giver dig mulighed for at få et tredimensionelt billede af de indre organer.

• Påvisning af fejl i produkter (skinner, svejsninger osv.) ved hjælp af røntgenstråler kaldes røntgenfejldetektion .

• I materialevidenskab , krystallografi , kemi og biokemi bruges røntgenstråler til at belyse strukturen af ​​stoffer på atomniveau ved hjælp af diffraktionsspredning af røntgenstråler ved hjælp af krystaller ( røntgendiffraktionsanalyse ). Et berømt eksempel er bestemmelsen af ​​DNA- strukturen .

• Røntgenstråler kan bruges til at bestemme den kemiske sammensætning af et stof. I en elektronstrålemikrosonde ( eller i et elektronmikroskop ) bestråles det analyserede stof med elektroner, mens atomerne ioniseres og udsender karakteristisk røntgenstråling . Røntgenstråler kan bruges i stedet for elektroner. Denne analysemetode kaldes røntgenfluorescensanalyse .

• I lufthavne bruges aktivt røntgen-tv-introskoper , som giver dig mulighed for at se indholdet af håndbagage og bagage for visuelt at detektere genstande, der er farlige på monitorskærmen.

• Røntgenterapi  er en sektion af stråleterapi, der dækker teori og praksis for den terapeutiske anvendelse af røntgenstråler genereret ved en røntgenrørspænding på 20-60 kV og en hud-brændvidde på 3-7 cm (kort strålebehandling) eller ved en spænding på 180-400 kV og en hud-brændvidde på 30-150 cm (fjernstrålebehandling). Røntgenbehandling udføres hovedsageligt med overfladisk placerede tumorer og med nogle andre sygdomme, herunder hudsygdomme (ultrabløde røntgenbilleder af Bucca).

• Kryptografi er generering af tilfældige sekvenser.

Naturlige røntgenstråler

På Jorden dannes elektromagnetisk stråling i røntgenområdet som et resultat af ionisering af atomer ved stråling, der opstår under radioaktivt henfald, som et resultat af Compton-effekten af ​​gammastråling, der opstår under nukleare reaktioner, og også af kosmisk stråling . Radioaktivt henfald fører også til direkte emission af røntgenkvanter, hvis det forårsager en omlejring af elektronskallen på det henfaldende atom (for eksempel under elektronindfangning ). Røntgenstråling, der forekommer på andre himmellegemer, når ikke jordens overflade , da den absorberes fuldstændigt af atmosfæren . Det bliver undersøgt af satellit -røntgenteleskoper som Chandra og XMM-Newton .

Derudover opdagede sovjetiske videnskabsmænd i 1953, at røntgenstråler kan genereres på grund af triboluminescens , som opstår i vakuum på det punkt, hvor den klæbende tape løsner sig fra underlaget, for eksempel fra glas, eller når en rulle vikles af [5 ] [6] [7] . I 2008 udførte amerikanske videnskabsmænd eksperimenter, der viste, at strålingseffekten i nogle tilfælde er tilstrækkelig til at efterlade et røntgenbillede på fotografisk papir [5] [8] .

Opdagelseshistorie

Røntgenstråler blev opdaget af Wilhelm Konrad Roentgen . Ved at studere katodestråler eksperimentelt bemærkede han om aftenen den 8. november 1895, at pap, som var nær katodestrålerøret, belagt med bariumplatin -cyanid , begynder at lyse i et mørkt rum. I løbet af de næste par uger studerede han alle de grundlæggende egenskaber ved den nyopdagede stråling, som han kaldte røntgenstråler ( "røntgenstråler" ). Den 22. december 1895 offentliggjorde Roentgen den første offentlige meddelelse om sin opdagelse på Fysik Institut ved universitetet i Würzburg [9] . Den 28. december 1895 blev en artikel af Roentgen med titlen "Om en ny type stråler" offentliggjort i tidsskriftet for Würzburg Physico-Medical Society [10] .

Men selv 8 år før det - i 1887, registrerede Nikola Tesla i sine dagbogsoptegnelser resultaterne af en undersøgelse af røntgenstråler og den bremsstrahlung , der udsendes af dem , men hverken Tesla eller hans følge tillagde disse observationer alvorlig betydning. Derudover foreslog Tesla allerede dengang faren for langvarig eksponering for røntgenstråler på den menneskelige krop. .

Ifølge nogle rapporter, der først blev offentliggjort i 1896 [11] [12] , og i kilderne, der henviser til dem [13] , blev stråler med en fotokemisk effekt beskrevet 11 år før Roentgen af ​​direktøren og læreren i fysik på Baku Real School Egor Semyonovich Kamensky [ 14] (1838-1895), formand for Baku-kredsen af ​​fotografielskere. Sekretæren for denne cirkel , A. M. Michon, udførte angiveligt også eksperimenter inden for fotografering, svarende til røntgenstråler. Men som et resultat af behandlingen af ​​spørgsmålet om prioritet på et møde i Kommissionen for Historien om Fysiske og Matematiske Videnskaber i USSR Academy of Sciences den 22. februar 1949, blev der truffet en beslutning, "der anerkendte det tilgængelige materiale om spørgsmålet af opdagelsen af ​​røntgenstråler som utilstrækkelig til at retfærdiggøre Kamenskys prioritet, anser det for ønskeligt at fortsætte søgen efter mere solide og pålidelige data" [15]

Nogle kilder [13] nævner den ukrainske fysiker Ivan Pavlovich Pulyui som opdageren af ​​røntgenstråler , der begyndte at interessere sig for udledninger i vakuumrør 10 år før offentliggørelsen af ​​opdagelsen af ​​Roentgen. Ifølge disse udsagn bemærkede Pulyui stråler, der trænger gennem uigennemsigtige genstande og oplyser fotografiske plader. I 1890 modtog han og offentliggjorde endda i europæiske magasiner fotografier af skelettet af en frø og en barnehånd, men han studerede ikke strålerne yderligere og opnåede patent [13] . Denne udtalelse tilbagevises i monografien dedikeret til Pulyu af R. Gaida og R. Plyatsko [16] , hvor oprindelsen og udviklingen af ​​denne legende analyseres i detaljer, og i andre værker om fysikkens historie [17] . Puluy ydede ganske vist et stort bidrag til undersøgelsen af ​​røntgenstrålens fysik og til metoderne til dens anvendelse (for eksempel var han den første til at opdage forekomsten af ​​elektrisk ledningsevne i gasser bestrålet med røntgenstråler), men efter opdagelsen af ​​Röntgen [16] .

Katodestrålerøret, som Roentgen brugte i sine eksperimenter, er udviklet af J. Hittorf og W. Kruks . Dette rør producerer røntgenstråler. Dette blev vist i Heinrich Hertz og hans elev Philip Lenards eksperimenter gennem sortsværtning af fotografiske plader. . Men ingen af ​​dem indså betydningen af ​​deres opdagelse og offentliggjorde ikke deres resultater.

Af denne grund kendte Roentgen ikke til de opdagelser, der var gjort før ham, og opdagede strålerne uafhængigt - mens han observerede den fluorescens, der opstår under driften af ​​et katodestrålerør. Roentgen studerede røntgenstråler i lidt over et år (fra 8. november 1895 til marts 1897) og udgav tre artikler om dem, som indeholdt en udtømmende beskrivelse af de nye stråler. Efterfølgende kunne hundredvis af værker af hans tilhængere, derefter udgivet i løbet af 12 år, hverken tilføje eller ændre noget væsentligt. Roentgen, der havde mistet interessen for røntgenbilleder, sagde til sine kolleger: "Jeg har allerede skrevet alt, spild ikke din tid." Med til Roentgens berømmelse var også det berømte fotografi af Albert von Köllikers hånd , som han publicerede i sin artikel (se billedet til højre). For opdagelsen af ​​røntgenstråler blev Roentgen tildelt den første Nobelpris i fysik i 1901 , og Nobelkomiteen understregede den praktiske betydning af hans opdagelse. I andre lande bruges Roentgens foretrukne navn - røntgenstråler , selvom der også bruges sætninger, der ligner russisk ( engelsk Roentgen-stråler osv.). I Rusland begyndte strålerne at blive kaldt "røntgen" på initiativ af en elev af V.K. Roentgen - Abram Fedorovich Ioffe .  

Se også

• Røntgenfluorescensanalyse
• Røntgenoptik
• Røntgenscanner baseret på tilbagespredning
• Liste over rumfartøjer med røntgen- og gammadetektorer om bord

Faglitteratur

• Zhdanov G.S. røntgenstråler . - Moskva - Leningrad: Statens forlag for teknisk og teoretisk litteratur, 1949. - 33 s.
• Vlasov P.V. Foredrag om røntgenstråler . - Moskva: Ung Garde, 1977. - 222 s.

Noter

1. ↑ 1 2 Blokhin M.A. Røntgenstråling // Fysisk encyklopædi  : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1994. - V. 4: Poynting - Robertson - Streamers. - S. 375-377. - 704 s. - 40.000 eksemplarer.  - ISBN 5-85270-087-8 .
2. ↑ Deslattes RD et al. X-Ray Transition Energies Database: NIST Standard Reference Database 128 Arkiveret 12. februar 2019 på Wayback Machine . september 2005. DOI:10.18434/T4859Z.
3. ↑ Yuri Erin. Den høje reflektionsevne af diamant i rækken af ​​hårde røntgenstråler er blevet bekræftet . Elements - Science News (3. marts 2010). Hentet 11. maj 2010. Arkiveret fra originalen 27. august 2011. (ubestemt)
4. ↑ Røntgenspredning af lagdelte nanosystemer med grove grænseflader Arkiveret 29. december 2014 på Wayback Machine . — Nanosystems, 2012
5. ↑ 1 2 Selvklæbende tape viste sig at være en kilde til røntgenstråler . Videnskab og teknologi . Lenta.ru (23. oktober 2008). Hentet 6. juli 2020. Arkiveret fra originalen 24. oktober 2008. (Russisk)
6. ↑ Karasev V. V., Krotova N. A., Deryagin B. V. Undersøgelse af elektronemission, når en højpolymerfilm løsnes fra glas i et vakuum  // Rapporter fra USSRs Videnskabsakademi. - M. , 1953. - T. 88 , nr. 5 . - S. 777-780 . (Russisk)
7. ↑ Karasev V.V., Krotova N.A., Deryagin B.V. Undersøgelse af en gasudledning, når en højpolymerfilm løsnes fra en solid foring  // Rapporter fra USSRs Videnskabsakademi. - M. , 1953. - T. 89 , nr. 1 . - S. 109-112 . (Russisk)
8. ↑ Kenneth Chang. Scotch Tape frigiver røntgenkraft  . The New York Times (23. oktober 2008). Hentet 6. juli 2020. Arkiveret fra originalen 30. september 2017.
9. ↑ Manolov K., Tyutyunnik V. Atomets biografi. Atom - fra Cambridge til Hiroshima. - Revideret bane. fra bulgarsk .. - M . : Mir , 1984. - S. 17-18. — 246 s.
10. ↑ W.C. Röntgen. Ueber eine neue Art von Strahlen // Sonderabbdruck aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft. — 1895.
11. ↑ " Natur og mennesker ". - nr. 28, 1896.
12. ↑ Kaspisk hav. - Avis. - Baku, 1896.
13. ↑ 1 2 3 Indenlandsk radiologi (utilgængeligt link) . Røntgendiagnostik . Dato for adgang: 16. februar 2019. Arkiveret fra originalen 17. april 2012. (ubestemt) 
14. ↑ I nogle kilder kaldes det fejlagtigt Eugene.
15. ↑ I Kommissionen om de fysiske og matematiske videnskabers historie  // Bulletin fra USSR's Videnskabsakademi. - 1949. - T. 19 , no. 4 . - S. 83-84 .
16. ↑ 1 2 Gaida R., Plyatsko R. Ivan Pulyuy. 1845-1918: Zhittєpisno-bіblіografichny naris / Videnskabeligt partnerskab opkaldt efter Shevchenko nær Lvov / Oleg Kupchinsky (udgivet udg.). — Lviv. - 1998. - 284 s. - (Chiefs of the NPSh; 7). — På obkl. forfatteren er ikke tildelt. — ISBN 5-7707-8500-4 .
17. ↑ Fialkov L. Ivan Pulyuy bad aldrig om et brev fra Roentgen  (ukrainsk)  // Bulletin of NASU. - 1996. - VIP. 9-10 . - S. 93-95 .

Links

• Røntgenrørside
• Grundlæggende om røntgendiagnostik (tysk)
• Stadier af udvikling af indenlandsk screeningsudstyr  - det meste af artiklen taler om røntgen-tv-introskoper (røntgenudstyr til gennemlysende bagage, der hovedsageligt bruges i lufthavne ).

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk catalansk stor kinesisk stor kinesisk stor kinesisk Fantastisk norsk Stor russer Brockhaus og Efron jorden rundt jorden rundt Lille Brockhaus og Efron Britannica (online) Universalis Universalis
I bibliografiske kataloger BNF : 119510960 GND : 4129728-3 J9U : 987007529626905171 LCCN : sh85148749 NDL : 00561905 NKC : ph125192