44. Рентгенови лъчи. Свойства на рентгеновите лъчи. Механизъм за получаване на рентгеновите лъчи. Рентгенова тръба. Спирачно и характеристично лъчение.Интензитет и прониквателна способност на рентгеновите лъчи.

44.1. Рентгенови лъчи. Свойства на рентгеновите лъчи.

През 1895 г., докато експериментирал с поток от електрони в евакуирана тръба, немският физик Вилхем Конрад Рьонтген забелязал, че парче бариев платино-цианид, поставено наблизо, започнало да излъчва светлина, докато тръбата работела. Той предположил, че когато електроните в тръбата се сблъскват със стъкления й корпус, се образува някакъв неизвестен вид радиация, който преминава през стаята и когато облъчва бариевият платино-цианид причинява флуoрeсценцията. По-задълбочените изследвания показали, че хартията, дървото и алуминия, както и други материали, са прозрачни за този нов вид радиация. Рьонтген открил, че новият вид лъчение осветява фотографската плака, но не проявява други характерни свойства за светлината като отражение и пречупване и затова той погрешно заключил, че то няма връзка със светлината. Поради неизвестната природа на лъчите той ги нарекъл X-rays (extraordinary rays – изключителни, странни лъчи). Той направил първите рентгенови снимки на вътрешната структура на метални обекти и на костите в ръката на жена си Фиг. 44.1.

   

Фиг. 44.1. Снимка на Вилхем Рьонтген  и рентгенова снимка на ръката на жена му

Установено било, че това не са заредени частици. Те не се отклонявали в електрично или магнитно поле. Вълновата природа на тези лъчи е установена чак през 1912 г., когато е наблюдавана дифракция на рентгенови лъчи от тънка кристална пластинка. Така е установено, че рентгеновите лъчи са късовълново електромагнитно лъчение с дължина на вълната от 100 nm до към 0.0001 nm. В електромагнитния спектър Rö-лъчите се намират между ултравиолетовите лъчи и γ-лъчите, като частично ги препокриват. Те интерферират и дифрактират, имат голяма прониквателна способност, силно фотохимично действие, предизвикват луминесценция и йонизират веществата, през което преминат.

42.2. Механизъм за получаване на рентгеновите лъчи. Рентгенова тръба. Спирачно и характеристично лъчение.

Рентгеновото излъчване се получава, когато метална мишена се бомбардира от електрони с голяма кинетична енергия. За тази цел се използват устройства, наречени рентгенови тръби (Фиг. 44.2 и 44.3). Във вакуумна тръба се разполагат един срещу друг катод с електродонагреваема жичка и анод, който представлява масивна метална пластина, между които се подава високо напрежение (няколко десетки или стотици киловолта). От нагрятата жичка, която е свързана към отрицателния полюс на източника на високо напрежение, чрез термоелектронна емисия се отделят електрони. Те се ускоряват от електричното поле и се насочват към анода, който служи за мишена. При взаимодействието на електронния сноп с мишената възникват два вида рентгеново лъчение – спирачно и характеристично.

Фиг. 44.2. Схема на рентгенова тръба.

Спирачното рентгеново излъчване се получава от забавящите се електрони, когато срещат атомите на мишената (анода). Този спектър не зависи от вида на атомите на мишената, а се определя от кинетичната енергия на електроните. Спектърът на това излъчване е непрекъснат с рязка късовълнова граница. Каква е причина за съществуването на тази късовълнова граница? Максималната енергия, която получава един електрон при ускоряването си в електричното поле между катода и анода с напрежение U е , където e е заряда на електрона. Ако при удара с анода електронът отдаде цялата си енергия, получения квант ще има дължина на вълната, която се определя от формулата . Тогава , където h е константата на Планк, а c е скоростта на светлината. Следователно минималната дължина на вълната на спирачното рентгеново лъчение е обратно пропорционална на приложеното напрежение.

Фиг. 44.3. Съвременна рентгенова тръба.

Характеристичното рентгеново излъчване се получава при по-големи ускоряващи напрежения в рентгеновата тръба. Спектърът на това излъчване е линеен, като отделните линии са тесни, с голям интензитет и се наслагват върху непрекъснатия спектър на спирачното излъчване (фиг. 44.4). То зависи от веществото на анода.

Фигура 44.4. Спектър на рентгеново лъчение.

Механизмът на възникването му е различен от този, при който се получава спирачното лъчение. То възниква при преходи между вътрешните електронни слоеве. Получава се когато електрон с висока енергия избие електрон от вътрешните електронни слоеве на атомите от веществото на анода. Освободеното място се заема от електрон с по-голяма енергия, намиращ се на по-външните електронни слоеве. При прехода на електрона се излъчва фотон с енергия, равна на разликата в енергиите на двата слоя (Фиг. 44.5).

Фиг. 44.5. Схема на получаване на характеристично рентгеново лъчение.

Характеристичните рентгенови спектри имат много проста структура. За всеки елемент те се състоят от групи линии, наречени серии. За разлика от оптичните спектри, рентгеновите не се променят ако атома, от който се излъчват, е включен в някакво химическо съединение.

Интензитет и прониквателна способност на рентгеновите лъчи.

Интензитетът на рентгеновото лъчение зависи от анодното напрежение U, анодния ток i и поредния номер Z на веществото на анода .

Прониквателната способност на рентгеновото лъчение зависи от енергията на фотона, т.е. от дължината на вълната. Тя расте с намаляване на дължината на вълната (увеличаване на честотата). Лъчение с голяма дължина на вълната и малка прониквателна способност се нарича “меко”, а с малка дължина на вълната и с голяма прониквателна способност се нарича “твърдо”. Лъчения с дължина на вълната над 0,1 nm се наричат „меки“ рентгенови лъчи, а при дължина на вълната под 0,1 nm се наричат „твърди“ рентгенови лъчи.Твърдостта на рентгеновото лъчение може да се регулира чрез изменение на напрежението между катода и анода на рентгеновата тръба.

45. Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото. Кохерентно разсейване. Некохерентно разсейване (ефект на Комптон). Фотоефект. Закон за отслабване на рентгеновото лъчение при преминаване през веществото. Коефициент на отслабване.

45.1. Взаимодействие на рентгеновото лъчение с веществото.

При попадане на рентгеновото лъчение във веществото настъпва отражение, разсейване и поглъщане. Кой процес ще се осъществи зависи от енергията на рентгеновия фотон и енергията на йонизация на веществото.

• Кохерентно разсейване - Това е разсейване на дълговълново рентгеново лъчение, при което енергията на фотона не се променя, а се променя само посоката му. Получава се когато рентгеновия фотон има енергия по-малка от енергията за възбуждане или за йонизация на веществото. Тъй като енергията на фотона и атома не се променя, то това не предизвиква биологично действие.
• Фотоефект - Това е взаимодействие на рентгеново лъчение с веществото, при което то се поглъща от атомите на веществото и те се йонизират – т.е. от тях се отделят електрони. Това се получава когато енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от енергията за йонизация на веществото.
• Некохерентно разсейване (Ефект на Комптон) - Това е взаимодействие на високоенергетично рентгеново лъчение с веществото, при което то се поглъща от атомите му. Веществото се  йонизира, като освен електрон се отделя и вторичен рентгенов фотон. Това се получава когато енергията на рентгеновия фотон е по-голяма от енергията за йонизация на веществото. Една част от енергията на фотона се изразходва за образуване на нов вторичен фотон, друга част за йонизация, и трета част за кинетична енергия на електрона

Енергията на вторичния фотон е по-малка от тази на първичния и следователно дължината на вълната му е по-голяма от тази на първичния.

            Тези три процеса са първичните процеси. Те от своя страна водят до последващи вторични процеси като например рентгенолуминесценция, фотохимични явления, образуване на прекиси, увеличение на проводимостта  и др. Биологичен ефект се получава при фотоефект и некохерентно разсейване.

45.2. Закон за отслабване на рентгеновото лъчение при преминаване през веществото. Коефициент на отслабване.

В резултат на взаимодействието на рентгеновото лъчение с веществото първичния поток намалява. Общото поглъщане на лъчението във веществото може да се опише със закона на Ламберт , където I_o  е интензитета на падащото лъчение,  I е интензитета на преминалото през слой с дебелина d лъчение, μ е линеен коефициент на отслабване.

Коефициентът на отслабване зависи от своя страна от поглъщането и разсейването на лъчението във веществото . Коефициентът на абсорбция от своя страна зависи от плътноста на веществото ρ, поредния му номер Z и дължината на вълната λ на лъчението .

Веществото може да бъде нехомогенно. Например тъканите на организма съдържат атоми на елементи с различни поредни номера. В такъв случай се пресмята т.н. ефективен номер Z_еф. Меките тъкани са изградени от елементи с пореден номер от 1 до 8 (H, I, N, O) и имат ефективен номер приблизително 6. Костите съдържат елементи с по-голям пореден номер като калций и фосфор и техният ефективен номер е 13.8. По тази причина костите поглъщат по-силно рентгеновото лъчение.