Rendgensko zračenje. Tajanstveni zraci koji su promenili svet

Sadržaj:

Rendgensko zračenje. Tajanstveni zraci koji su promenili svet
Rendgensko zračenje. Tajanstveni zraci koji su promenili svet
Anonim

U 19. stoljeću radijacija nevidljiva ljudskom oku, sposobna proći kroz meso i druge materijale, djelovala je kao nešto potpuno fantastično. Sada se rendgenski zraci široko koriste za stvaranje medicinskih slika, provođenje terapije zračenjem, analizu umjetničkih djela i rješavanje problema nuklearne energije. Kako je otkriveno rendgensko zračenje i kako pomaže ljudima - saznajemo zajedno s fizičarem Aleksandrom Nikolajevičem Dolgovim.

Otkriće Roentgena

Od kraja 19. stoljeća nauka je počela igrati fundamentalno novu ulogu u oblikovanju slike svijeta. Prije jednog stoljeća aktivnosti naučnika bile su amaterske i privatne prirode. Međutim, do kraja 18. stoljeća, kao rezultat znanstvene i tehnološke revolucije, znanost se pretvorila u sustavnu aktivnost u kojoj je svako otkriće postalo moguće zahvaljujući doprinosu mnogih stručnjaka. Počeli su se pojavljivati istraživački instituti, periodični naučni časopisi, pojavila se konkurencija i borba za priznavanje autorskih prava za naučna dostignuća i tehničke inovacije. Svi ti procesi odvijali su se u Njemačkom carstvu, gdje je do kraja 19. stoljeća Kajzer ohrabrio naučna dostignuća koja su povećala ugled zemlje na svjetskoj sceni.

Jedan od naučnika koji je sa entuzijazmom radio u ovom periodu bio je profesor fizike, rektor Univerziteta u Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. studenog 1895. ostao je do kasno u laboratoriji, što se često događalo, i odlučio je provesti eksperimentalnu studiju električnog pražnjenja u staklenim vakuumskim cijevima. Zatamnio je sobu i umotao jednu cijev u neprozirni crni papir kako bi lakše uočio optičke pojave koje prate pražnjenje. Na svoje iznenađenje, Roentgen je na obližnjem ekranu ugledao fluorescentnu traku prekrivenu kristalima barij -cijanoplatinita. Malo je vjerojatno da je znanstvenik tada mogao zamisliti da je na rubu jednog od najvažnijih znanstvenih otkrića svog vremena. Iduće godine bit će napisano preko tisuću publikacija o rendgenskim snimkama, doktori će odmah izum uzeti u upotrebu, zahvaljujući njemu, u budućnosti će se otkriti radioaktivnost i pojaviti novi pravci znanosti.

Image
Image

Crookes tube - uređaj s kojim je po prvi put nesvjesno proizvedeno

Crookesova cijev - uređaj uz pomoć kojeg su prvi put nesvjesno proizvedeni rendgenski zraci // wikipedia.org

Roentgen je sljedećih nekoliko sedmica posvetio istraživanju prirode neshvatljivog sjaja i otkrio da se fluorescencija pojavljuje kad god je primijenio struju na cijev. Izvor zračenja bila je cijev, a ne neki drugi dio električnog kruga. Ne znajući s čime se suočava, Roentgen je odlučio ovu pojavu označiti kao X-zrake, ili X-zrake. Dalje je Roentgen otkrio da ovo zračenje može prodrijeti u gotovo sve objekte na različitim dubinama, ovisno o debljini objekta i gustoći tvari. Tako se pokazalo da je mali olovni disk između cijevi za pražnjenje i ekrana nepropustan za rendgenske zrake, a kosti šake bacaju tamniju sjenu na ekran, okruženu svjetlijom sjenom od mekih tkiva. Ubrzo je naučnik otkrio da rendgenske zrake ne uzrokuju samo sjaj ekrana prekrivenog barij-cijanoplatinitom, već i zatamnjenje fotografskih ploča (nakon razvoja) na onim mjestima gdje su rendgenski zraci pali na fotografsku emulziju.

Tokom svojih eksperimenata, Roentgen je bio uvjeren da je otkrio zračenje nepoznato nauci. 28. decembra 1895. izvijestio je o rezultatima istraživanja u članku "O novoj vrsti zračenja" u časopisu "Annals of Physics and Chemistry". U isto vrijeme, naučnicima je poslao slike ruke svoje supruge, Anna Bertha Ludwig, koja je kasnije postala poznata. Zahvaljujući Roentgenovom starom prijatelju, austrijskom fizičaru Franzu Exneru, stanovnici Beča prvi su vidjeli ove fotografije 5. januara 1896. godine na stranicama lista Die Presse. Već sljedećeg dana informacije o otvaranju prenijete su u londonske novine Chronicle. Tako je otkriće Roentgena postupno počelo ulaziti u svakodnevni život ljudi. Praktična primjena pronađena je gotovo odmah: 20. januara 1896. godine u New Hampshireu ljekari su pomogli čovjeku sa slomljenom rukom novom dijagnostičkom metodom - rentgenom.

Image
Image

Rentgen ruke Ane Berte Ludwig // wikipedia.org

Rana upotreba rendgenskih zraka

Tijekom nekoliko godina, rendgenske slike počele su se aktivno koristiti za preciznije operacije. Već 14 dana nakon otvaranja, Friedrich Otto Valkhoff napravio je prvi rendgenski snimak zuba. A onda su zajedno s Fritzom Gieselom osnovali prvu zubnu rendgensku laboratoriju na svijetu.

Do 1900. godine, 5 godina nakon otkrića, upotreba rendgenskih zraka u dijagnostici smatrana je sastavnim dijelom medicinske prakse.

Statistički podaci koje je prikupila najstarija bolnica u Pensilvaniji mogu se smatrati indikativnim za širenje tehnologija zasnovanih na rendgenskom zračenju. Prema njezinim riječima, 1900. godine samo je 1-2% pacijenata dobilo pomoć pri rendgenskim snimkama, dok je do 1925. bilo već 25%.

Rendgenski zraci tada su se koristili na vrlo neobičan način. Na primjer, korišteni su za pružanje usluga uklanjanja dlaka. Dugo se vremena ova metoda smatrala poželjnijom u usporedbi s bolnijim - pincetom ili voskom. Osim toga, rendgenski zraci su korišteni u aparatima za postavljanje cipela-isprobavajućim fluoroskopima (pedoskopima). To su bili rendgenski aparati sa posebnim udubljenjem za stopala, kao i prozori kroz koje su klijent i prodavci mogli procijeniti kako su sjele cipele.

Image
Image

Fluoroskop za cipele // wikipedia.org

Rana upotreba rendgenskog snimanja iz moderne sigurnosne perspektive postavlja mnoga pitanja. Problem je bio u tome što se u vrijeme otkrića rendgenskih zraka nije znalo gotovo ništa o zračenju i njegovim posljedicama, zbog čega su se pioniri koji su koristili novi izum suočili s njegovim štetnim učincima u vlastitom iskustvu. Negativne posljedice povećane izloženosti postala masovna pojava na prijelazu iz 19. u XX stoljeće, a ljudi su postupno počeli uviđati opasnosti bezumne upotrebe rendgenskih zraka.

Priroda rendgenskih zraka

Rendgensko zračenje je elektromagnetsko zračenje sa energijom fotona od ~ 100 eV do 250 keV, koje leži na ljestvici elektromagnetskih valova između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja. To je dio prirodnog zračenja koje se javlja u radioizotopima kada se atomi elemenata pobuđuju strujom elektrona, alfa česticama ili gama kvantima, pri čemu se elektroni izbacuju iz elektronskih ljuski atoma. Do zračenja rendgenskim zrakama dolazi kada se naelektrisane čestice kreću ubrzavanjem, posebno pri usporavanju elektrona, u električnom polju atoma neke tvari.

Razlikuju se meki i tvrdi rendgenski zraci, čija je uslovna granica između njih na skali talasnih dužina oko 0,2 nm, što odgovara energiji fotona od oko 6 keV. Rendgensko zračenje je i prodorno, zbog svoje kratke valne duljine, i ionizirano, budući da pri prolasku kroz tvar stupa u interakciju s elektronima, izbacujući ih iz atoma, razbijajući ih na ione i elektrone i mijenjajući strukturu tvari na na koje deluje.

Image
Image

Karakteristike radioizotopa

Rendgenski zraci uzrokuju sjaj kemijskog spoja zvanog fluorescencija. Zračenje atoma uzorka visokoenergetskim fotonima uzrokuje emisiju elektrona - oni napuštaju atom. U jednoj ili više elektronskih orbitala nastaju "rupe" - prazna mjesta, zbog kojih atomi prelaze u uzbuđeno stanje, odnosno postaju nestabilni. Milioniti dio sekunde kasnije, atomi se vraćaju u stabilno stanje kada se slobodna mjesta u unutrašnjim orbitalama ispune elektronima iz vanjskih orbitala. Ovaj prijelaz prati emisija energije u obliku sekundarnog fotona, pa nastaje fluorescencija.

Rentgenska astronomija

Na Zemlji se rijetko susrećemo s rendgenskim zračenjem, ali se često nalazi u svemiru. Tamo se prirodno javlja zbog aktivnosti mnogih svemirskih objekata. To je omogućilo astronomiju rendgenskih zraka. Energija rendgenskih fotona mnogo je veća od energije optičkih; stoga u rendgenskom području emitira tvar zagrijanu na ekstremno visoke temperature. Izvori rendgenskih zraka su crne rupe, neutronske zvijezde, kvazari. Zahvaljujući astronomiji rendgenskih zraka postalo je moguće razlikovati crne rupe od neutronskih zvijezda, otkriveni su Fermijevi mjehurići, te je bilo moguće snimiti proces uništenja obične zvijezde koja se približila crnoj rupi.

Image
Image

Jedan od prvih izvora X -zraka na nebu - Cygnus X -1 - otkriven je 1964. godine, a danas je većina naučnika sigurna da se radi o crnoj rupi mase oko 15 solarnih masa // NASA

Ovi kosmički izvori rendgenskog zračenja za nas nisu primjetan dio prirodnog pozadinskog zračenja i stoga ni na koji način ne prijete ljudima. Jedini izuzetak može biti izvor jakog elektromagnetskog zračenja poput eksplozije supernove, koja se dogodila dovoljno blizu Sunčevog sistema.

Kako umjetno stvoriti rendgenske zrake?

Rendgenski uređaji i dalje se široko koriste za nedestruktivnu introskopiju (rendgenske slike u medicini, otkrivanje grešaka u tehnologiji). Njihova glavna komponenta je rendgenska cijev koja se sastoji od katode i anode. Cijevne elektrode su spojene na izvor visokog napona, obično desetine ili čak stotine hiljada volti. Kad se zagrije, katoda emitira elektrone koji se ubrzavaju generiranim električnim poljem između katode i anode. Sudarajući se s anodom, elektroni se usporavaju i gube većinu energije. U tom slučaju nastaje radijacijsko zračenje rendgenskog zračenja, ali se pretežni dio energije elektrona pretvara u toplinu, pa se anoda hladi.

Image
Image

Ekaterina Zolotoryova za PostNauki

Rendgenska cijev konstantnog ili impulsnog djelovanja i dalje je najrašireniji izvor rendgenskog zračenja, ali daleko od toga da je jedini. Za dobivanje impulsa zračenja visokog intenziteta koriste se pražnjenja velike struje u kojima se plazma kanal protočne struje komprimira vlastitim magnetskim poljem struje-tzv. Ako se pražnjenje odvija u mediju lakih elemenata, na primjer, u vodikovom mediju, tada ono igra ulogu efikasnog akceleratora elektrona pomoću električnog polja koje nastaje u samom pražnjenju. Ovo pražnjenje može značajno premašiti polje generirano od vanjskog izvora struje. Na ovaj način se dobijaju impulsi tvrdog rendgenskog zračenja sa velikom energijom generisanih kvantova (stotine kiloelektronvolti), koji imaju veliku prodornu moć.

Za dobivanje rendgenskih zraka u širokom spektralnom rasponu koriste se elektronski ubrzivači - sinkrotroni. U njima se zračenje stvara unutar prstenaste vakuumske komore, u kojoj se usko usmjeren snop elektrona velike energije, ubrzan gotovo do brzine svjetlosti, kreće po kružnoj putanji. Za vrijeme rotacije pod utjecajem magnetskog polja, leteći elektroni emitiraju snopove fotona tangencijalno na orbitu u širokom spektru, od kojih maksimum pada na područje rendgenskih zraka.

Kako se detektuju rendgenski zraci

Dugo se vremena za detekciju i mjerenje rendgenskog zračenja koristio tanki sloj fosforne ili fotografske emulzije nanesen na površinu staklene ploče ili prozirnog polimernog filma. Prvi je pod djelovanjem rendgenskog zračenja zasjao u optičkom rasponu spektra, dok se optička prozirnost premaza promijenila u filmu pod djelovanjem kemijske reakcije.

Trenutno se elektronički detektori najčešće koriste za registriranje rendgenskog zračenja - uređaja koji generiraju električni impuls kada se kvant zračenja apsorbira u osjetljivom volumenu detektora. Razlikuju se po principu pretvaranja energije apsorbiranog zračenja u električne signale. Rendgenski detektori s elektroničkom registracijom mogu se podijeliti na ionizacijske, čije se djelovanje temelji na ionizaciji tvari, i radioluminiscentne, uključujući scintilaciju, pomoću luminiscencije tvari pod djelovanjem ionizirajućeg zračenja. Ionizacijski detektori se, pak, dijele na plinske i poluvodičke, ovisno o mediju za detekciju.

Glavni tipovi detektora napunjenih plinom su ionizacijske komore, Geigerovi brojači (Geiger-Mullerovi brojači) i proporcionalni brojači ispuštanja plina. Kvanti zračenja koji ulaze u radno okruženje brojača uzrokuju ionizaciju plina i protok struje, što se bilježi. U poluvodičkom detektoru, parovi elektron-rupa nastaju pod djelovanjem kvantova zračenja, koji također omogućuju da električna struja teče kroz tijelo detektora.

Glavna komponenta scintilacijskih brojača u vakuumskom uređaju je fotomultiplikator (PMT), koji koristi fotoelektrični efekt za pretvaranje zračenja u tok nabijenih čestica i fenomen sekundarne emisije elektrona za povećanje struje generiranih nabijenih čestica. Fotomultiplikator ima fotokatodu i sistem uzastopnih ubrzavajućih elektroda - dinoda, pri udaru na koje se ubrzani elektroni množe.

Sekundarni multiplikator elektrona je otvoreni vakuumski uređaj (radi samo u uvjetima vakuuma), u kojem se rendgensko zračenje na ulazu pretvara u struju primarnih elektrona, a zatim pojačava zbog sekundarne emisije elektrona koji se šire u kanalu multiplikatora. Mikrokanalne ploče, koje predstavljaju veliki broj zasebnih mikroskopskih kanala koji prodiru u detektor ploča, rade po istom principu. Oni dodatno mogu pružiti prostornu rezoluciju i formiranje optičke slike poprečnog presjeka toka rendgenskih zraka koji pada na detektor bombardiranjem poluprozirnog ekrana sa fosforom nanesenim na njega s izlaznim protokom elektrona.

X-zraci u medicini

Sposobnost rendgenskih zraka da sijaju kroz materijalne objekte ne samo da ljudima daje mogućnost stvaranja jednostavnih rendgenskih zraka, već otvara i mogućnosti za naprednije dijagnostičke alate. Na primjer, to je srce računalne tomografije (CT). Izvor i prijemnik rendgenskih zraka rotiraju se unutar prstena u kojem pacijent leži. Dobiveni podaci o tome kako tkiva u tijelu apsorbiraju rendgenske zrake računalom se rekonstruiraju u 3D sliku. CT je posebno važan za dijagnosticiranje moždanog udara, a iako je manje precizan od snimanja mozga magnetskom rezonancom, potrebno je mnogo manje vremena.

Relativno novi smjer, koji se sada razvija u mikrobiologiji i medicini, je upotreba mekog rendgenskog zračenja. Kad je živi organizam proziran, to omogućuje dobivanje slike krvnih žila, detaljno proučavanje strukture mekih tkiva, pa čak i provođenje mikrobioloških studija na ćelijskom nivou. Rendgenski mikroskop koji koristi zračenje iz pražnjenja tipa pinch u plazmi teških elemenata omogućava vidjeti takve detalje o strukturi žive ćelije, koje elektronski mikroskop ne može vidjeti čak ni u posebno pripremljenoj ćelijskoj strukturi.

Jedna od vrsta radioterapije koja se koristi za liječenje malignih tumora koristi tvrde rendgenske zrake, što postaje moguće zbog svog ionizirajućeg učinka, koji uništava tkivo biološkog objekta. U ovom slučaju, kao izvor zračenja koristi se elektronski akcelerator.

Radiografija u tehnologiji

Meki rendgenski zraci koriste se u istraživanjima čiji je cilj rješavanje problema kontrolirane termonuklearne fuzije. Za početak procesa potrebno je stvoriti povratni udarni val zračenjem male mete deuterija i tricija mekim X-zracima iz električnog pražnjenja i trenutnim zagrijavanjem ljuske ove mete u stanje plazme. Ovaj val komprimira ciljani materijal do gustoće tisuće puta veće od gustoće čvrstog tijela i zagrijava ga do termonuklearne temperature. Oslobađanje energije termonuklearne fuzije događa se u kratkom vremenu, dok se vruća plazma raspršuje po inerciji.

Sposobnost proziranja omogućuje radiografiju - tehniku snimanja koja vam omogućuje prikaz unutrašnje strukture neprozirnog predmeta izrađenog od metala, na primjer. Nemoguće je na oko utvrditi jesu li konstrukcije mosta čvrsto zavarene, je li šav na plinovodu hermetičan i jesu li tračnice čvrsto međusobno pripijene. Stoga se u industriji rendgenski snimak koristi za otkrivanje grešaka - praćenje pouzdanosti glavnih radnih svojstava i parametara objekta ili njegovih pojedinačnih elemenata, što ne zahtijeva uzimanje objekta iz upotrebe ili njegovo rastavljanje.

Rendgenska fluorescentna spektrometrija temelji se na učinku fluorescencije - metoda analize koja se koristi za određivanje koncentracija elemenata od berilijuma do urana u rasponu od 0,0001 do 100% u tvarima različitog porijekla. Kada se uzorak ozrači snažnim tokom zračenja iz rendgenske cijevi, pojavljuje se karakteristično fluorescentno zračenje atoma, proporcionalno njihovoj koncentraciji u uzorku. Trenutno, gotovo svaki elektronski mikroskop omogućuje da se bez ikakvih poteškoća odredi detaljan elementarni sastav mikroobjekata koji se proučavaju metodom rendgenske fluorescentne analize.

X-zraci u istoriji umjetnosti

Sposobnost rendgenskih zraka da sijaju i stvaraju efekt fluorescencije također se koristi za proučavanje slika. Ono što se krije ispod gornjeg sloja boje može mnogo reći o istoriji platna. Na primjer, vještim radom s nekoliko slojeva boje slika može biti jedinstvena u umjetničkom djelu. Također je važno uzeti u obzir strukturu slojeva slike pri odabiru najprikladnijih uvjeta skladištenja za platno. Uza sve to, rendgensko zračenje je nezamjenjivo, što vam omogućuje da pogledate ispod gornjih slojeva slike bez štete po nju.

Važan razvoj u ovom smjeru su nove metode specijalizirane za rad s umjetničkim djelima. Makroskopska fluorescencija je varijanta rendgenske fluorescentne analize koja je dobro prilagođena za vizualizaciju distribucijske strukture ključnih elemenata, uglavnom metala, prisutnih na površinama od približno 0,5-1 kvadratnih metara ili više. S druge strane, rendgenska laminografija, varijanta kompjuterske rendgenske tomografije, pogodnija za proučavanje ravnih površina, čini se obećavajućom za dobivanje slika pojedinih slojeva slike. Ove se metode mogu koristiti i za proučavanje kemijskog sastava sloja boje. Ovo omogućava datiranje platna, uključujući i radi identifikacije falsifikata.

Rendgenski snimci omogućuju vam da saznate strukturu tvari

Kristalografija rendgenskih zraka je znanstveni smjer povezan s identifikacijom strukture materije na atomskom i molekularnom nivou. Posebnost kristalnih tijela je višestruko uređeno ponavljanje u prostornoj strukturi istih elemenata (ćelija), koje se sastoji od određenog skupa atoma, molekula ili iona.

Glavna metoda istraživanja sastoji se u izlaganju kristalnog uzorka uskom snopu rendgenskih zraka pomoću rendgenske kamere. Dobivena fotografija prikazuje sliku difraktiranih rendgenskih zraka koje prolaze kroz kristal, odakle naučnici tada mogu vizualno prikazati njegovu prostornu strukturu, nazvanu kristalna rešetka. Razni načini provođenja ove metode nazivaju se rendgenska strukturna analiza.

Rentgenska strukturna analiza kristalnih tvari sastoji se od dvije faze:

  1. Određivanje veličine ćelije kristala, broja čestica (atoma, molekula) u ćeliji i simetrije rasporeda čestica. Do ovih podataka dolazi se analizom geometrije lokacije difrakcijskih maksimuma.
  2. Proračun gustoće elektrona unutar jedinične ćelije i određivanje koordinata atoma, koje su identificirane s položajem maksimuma gustoće elektrona. Do ovih podataka dolazi se analizom intenziteta maksimuma difrakcije.
Image
Image

Fotografija difrakcijskog uzorka DNK u takozvanoj B-konfiguraciji

Neki molekularni biolozi predviđaju da bi se pri snimanju najvećih i najsloženijih molekula rendgenska kristalografija mogla zamijeniti novom tehnikom koja se naziva kriogena elektronska mikroskopija.

Jedan od najnovijih alata u kemijskoj analizi bio je Hendersonov filmski skener, koji je koristio u svom pionirskom radu u kriogenoj elektronskoj mikroskopiji. Međutim, ova metoda je još uvijek prilično skupa i stoga nije vjerojatno da će u skoroj budućnosti potpuno zamijeniti rendgensku kristalografiju.

Relativno novo područje istraživanja i tehničkih primjena povezanih s upotrebom rendgenskih zraka je rendgenska mikroskopija. Dizajniran je za dobivanje povećane slike objekta koji se proučava u stvarnom prostoru u dvije ili tri dimenzije koristeći optiku za fokusiranje.

Granica difrakcije prostorne rezolucije u rendgenskoj mikroskopiji zbog male valne duljine korištenog zračenja je oko 1000 puta bolja od odgovarajuće vrijednosti za optički mikroskop. Osim toga, prodorna moć rendgenskog zračenja omogućuje proučavanje unutrašnje strukture uzoraka koji su potpuno neprozirni za vidljivu svjetlost. Iako elektronska mikroskopija ima prednost nešto veće prostorne rezolucije, to nije nerazorna metoda istraživanja, jer zahtijeva vakuum i uzorke s metalnim ili metaliziranim površinama, što je potpuno destruktivno, na primjer, za biološke objekte.

Preporučuje se: