Лекция 1. Рентгеновское излучение

СПЕКТР ТОРМОЗНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

3. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СПЕКТР ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Рентген
(1845-1923)

Вильгельм Рентген
первым удостоен
Нобелевской премии
по физике
в 1901

г.

истории
изображение костей
руки живого человека
(Берты Рентген –
жены профессора)

электродами: анодом (А) и катодом (К).
Катод выполнен в виде

спирали из тугоплавкого металла (W, Pt), через которую пропускают ток. Вследствие термоэлектронной эмиссии, нагретая спираль испускает электроны.
Анод представляет собой цилиндр, торец которого срезан под углом. В скошенную поверхность торца анода впаяна пластинка из тугоплавкого металла (W, Pt, Cu, Ag и т.д.) – «зеркало» (З). В баллоне создается высокое разряжение Р =10-6-10-7 мм.рт.ст.
Между анодом и катодом приложено высокое напряжение – 40÷200 кВ, а в некоторых случаях даже до I000 кВ.

излучение

м/с. Узкий пучок электронов и направляется на анод, который, благодаря

косому срезу, направляет возникающее на «зеркале» рентгеновское излучение в выходное окно трубки.
К.п.д. рентгеновской трубки составляет всего 1-5 %, а остальная энергия электронного пучка превращается во внутреннюю энергию. По этой причине тело анода изготавливают из хорошо проводящих тепло материалов (Сu) и часто полым для подвода охлаждающей жидкости.

ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм

до 10-5нм.
Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими.
Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.

напряжение (напряжение между катодом и анодом).
Ее = εк ,

еU = hνк.
В большинстве же случаев энергия электронов теряется в результате ряда последовательных «столкновений» с электронными облаками разных атомов, превращаясь при этом в тепло или кванты электромагнитного излучения с частотой ν меньшей, чем νк (ν ≤ νк):

,

.

тока (температуры накала катода) и материала (атомного номера Z) «зеркала»

анода. В общем случае мощность тормозного излучения:
 
Φ = kIU2Z,
где k = 10-9 (В·с)-1, I – сила анодного тока; U– напряжение между анодом и катодом; Z – порядковый номер материала «зеркала» анода в
таблице Менделеева.

их помощью (1901-1988 гг)
в 1901 г. Нобелевская премия за открытие

X-лучей (В.Рентгену);
в 1913 г. Генри Мозли изучая рентгеновские спектры элементов доказал: порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома. Но получить высшую научную награду Мозли не довелось: он трагически погиб через два года после своего открытия при высадке английского десанта в проливе Дарданеллы;
в 1914 г. Нобелевская премия за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ);
в 1915 г. Нобелевская премия за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей присуждена отцу и сыну Брэггам Уильям Генри и Уильям Лоренс, которые заложили основы рентгено-структурного анализа;
в 1917 г. Нобелевская премия за открытие характеристического рентгеновского излучения (Чарлзу Баркле); Поскольку во время войны поездки были ограничены, церемонию награждения пришлось отложить, и только в 1920 г. Баркла смог прочитать свою Нобелевскую лекцию "Характеристическое рентгеновское излучение";
в 1922 г. Нобелевская премия за разработку теории периодической системы элементов, используя закономерности изменения рентгеновских спектров (Нильсу Бору);
в 1922 г. Открытие элемента Гафний по рентгеновским спектрам (А.Довийе);
в 1924 г. Нобелевская премия за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К.Сигбану);
в 1925 г. Открытие элемента Рений по рентгеновским спектрам (супруги Ноддак)

их помощью (1901-1981 гг)
в 1927 г. Нобелевская премия за открытие

рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А.Комптону). Артур Комптон в 1923 г. обнаружил эффект (назван его именем), который сыграл крайне важную роль в развитии квантовой теории в 20-х гг;
в 1936 г. Нобелевская премия за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П.Дебаю);
в 1946 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине Герману Меллеру за обнаружение и изучение мутаций под действием рентгеновских лучей;
в 1964 г. Дороти Кроуфут-Ходжкин (англ) – НП по химии: методом рентгено-структурного анализа она определила строение белков и ряда биологически активных соединений.
1962 и 1988 гг – НП за открытие структуры молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, соединений, ответственных за фотосинтез, лекарственных препаратов с помощью рентгеновских лучей;
в 1979 г. Нобелевская премия за разработку метода осевой рентгеновской томографии (А.Кормаку и Г.Хаунсфилду);
в 1981 г. Кай Сигбан (сын Карла Сигбана) - премия по физике за разработку рентгеновской электронной спектрометрии - метода широко применяемого в химических исследованиях.

заряда) с веществом:
Фотоэффект
Комптоновский эффект (рассеяние)
Образование пар
Рэлеевское (когерентное) рассеяние;
Фотоядерные

реакции

падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны

с кинетической энергией, равной энергии захваченного кванта за вычетом энергии выхода электрона

внешней орбиты
Электрону внешней орбиты передается часть энергии фотона.
Оставшуюся энергию

уносят рассеявшиеся фотоны.
Средняя энергия фотонов возрастает с увеличением энергии падающего излучения

полем ядра атома, квант исчезает и одновременно возникает пара частиц

электрон-позитрон.
Позитрон аннигилирует с электронами среды, с образованием вторичных гамма-квантов
Вторичные гамма-кванты проходя через вещество теряют энергию за счет фотоэффекта или эффекта Комптона

для фотонов с энергией > 1,022 МэВ, т.е. превышающей внутриатомные энергии связи

находится в диапазоне 0.2-2 МэВ, поэтому наибольшую роль играет эффект

Комптона

10-100 кэВ – фотоэффект;
0,3-10 МэВ – эффект Комптона;
>10 МэВ – образование пар

Поглощение фотонов в биологических тканях

При действии рентгеновского и гамма-излучения первичная ионизация (возникновение атомов, утративших электрон вследствие фото- и Комптон-эффекта) мала по сравнению с ионизацией в результате действия вторичных электронов.
Поэтому электромагнитное излучение считают косвенно ионизирующим.

Относительная вероятность реализации вышеперечисленных механизмов при облучении биологических тканей представлена на рисунке