5 Рентгеновское излучение

История открытия

Рентгеновское излучение было открыто Вильгельмом Конрадом Рёнтгеном. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских лучах, которые он назвал X-лучами . На некоторых языках (включая русский и немецкий) эти лучи были названы его именем, несмотря на его сильные возражения. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них три статьи, в которых было исчерпывающее описание новых лучей. 8 ноября 1895 г. в Вюрцбурге Рентген наблюдал новое поразительное явление. Если разрядную трубку обернуть черным картоном и поместить возле нее бумажный экран, смоченный с одной стороны платино-синеродистым барием, то при каждом разряде трубки на экране наблюдается флуоресцирующее свечение независимо от того, какая сторона бумаги повернута к трубке - смоченная или сухая.

В этом опыте прежде всего поражает то, что абсолютно непрозрачный для видимого излучения и ультрафиолета черный картон пропускает что-то, способное вызвать флуоресценцию экрана. Этот эффект получался не только с картоном: методически поставленная серия специальных опытов показала, что для этого агента более или менее прозрачны все тела. Точнее говоря, прозрачность убывает c увеличением плотности тела и его толщины.

Вильгельм Конрад Рентген

«Если держатъ руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки» Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование. Открытие рентгеновских лучей привело к необычайно важным последствиям как в области научных исследований, так и в области практических приложений-в медицине и в промышленности. Можно, пожалуй, без преувеличения сказать, что с этого изобретения начинается новая история.

10 декабря 1901 г. в большом зале Музыкальной академии в Стокгольме в присутствии наследного принца Швеции, представлявшего короля, комитет по присуждению Нобелевских премий в знак признательности ученых и человечества присудил Рентгену первую Нобелевскую премию.

Было неясно, преломляются ли эти лучи. Рентген не обнаружил преломления в призмах из воды и сероуглерода. Некоторые признаки преломления, как ему показалось, были замечены в опытах с эбонитовыми и алюминиевыми призмами. Опыты с мелким порошком каменной соли, с серебряным порошком, полученным электролитическим методом, и с цинковым порошком не обнаружили никакого различия в прохождении Х-лучей через порошок и через сплошной образец того же вещества. Отсюда можно было сделать вывод, что Х-лучи не испытывают ни преломления, ни отражения и что отсутствие этих явлений подтверждается тем, что Х-лучи невозможно сконцентрировать линзами.

Природа рентгеновских лучей

Многие физики обращали внимание на то, что для объяснения отрицательных результатов попыток наблюдения обычных оптических явлений в опытах с рентгеновскими лучами совсем не обязательно лишать электромагнитное возмущение волнового характера, при котором оно сходно со световыми волнами. Достаточно положить длину волны рентгеновских лучей чрезвычайно малой, меньше расстояния между молекулами вещества, чтобы объяснить все особенности их поведения.

Физики, придерживавшиеся этой точки зрения, естественно, пытались обнаружить не отражение, а дифракцию рентгеновских лучей на чрезвычайно тонких щелях, что диктовалось предполагаемой малостью длины волны рентгеновских лучей.

Но искусственно сделанные щели, как бы тонки они ни были, оказывались слишком грубыми, да и ясно было, что едва ли можно найти механический способ нанесения штрихов, удаленных на расстояние порядка молекулярных размеров. Но вот молодому немецкому физику Максу Лауэ пришла в голову смелая идея. Была известна старая теория строения кристаллов, которая принимала, что кристаллы образуются совокупностью тесно примыкающих чрезвычайно малых частиц в форме параллелепипеда, расположенных на постоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга во вполне регулярном каркасе.

Если кристалл действительно обладает структурой, то он должен вести себя как дифракционная решетка, или, вернее, как совокупность дифракционных решеток с параллельными плоскостями, т. е. пространственная решетка, как ее называют.

Разработав количественную теорию этого явления, Лауэ провел соответствующий опыт. Примененная для эксперимента установка была довольно простой: определенное количество параллельных свинцовых пластинок защищало небольшой кристалл (например, каменной соли) от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во всех свинцовых пластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные по одной прямой. Проходя эти отверстия, пучок рентгеновских лучей попадал на кристалл и далее проходил на фотопластинку, защищенную черной бумагой от стороннего облучения. После нескольких часов экспозиции пластинка была проявлена. Было обнаружено темное пятно на линии центров отверстий в свинцовых пластинах, обусловленное прямым действием рентгеновских лучей, и большое число других пятен различной интенсивности, расположенных регулярным образом вокруг центрального пятна, в соответствии с симметрией кристалла.

Этот опыт вскоре был повторен многими физиками в различных вариантах и всесторонне проанализирован. Все это привело к заключению, что получающиеся на фотопластинках фигуры действительно представляют собой дифракционные картины. Исследование дифракционных фигур позволяет определить длину волны применяемого рентгеновского излучения, а зная длину волны, можно получить сведения о структуре кристалла. Длины волн рентгеновских лучей оказались в среднем в тысячу раз меньше средней длины волны видимого света, т. е. намного короче длин волн ультрафиолетового излучения. Рентгеновские лучи тоже дают целый спектр волн, аналогичный спектру видимого излучения.

Дифракция рентгеновских лучей. (M.Laue, Ueber die Auffindung der Roentgenstrahl-Interferenzen, Les Prix Nobel, 1914-1918.)

Рентгеновские трубки Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод (ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов.

Трубка Крукса

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А — анод (иногда называемый антикатодом), С — теплоотвод, U_h — напряжение накала катода, U_a — ускоряющее напряжение, W_in — впуск водяного охлаждения, W_out — выпуск водяного охлаждения.

В процессе ускорения-торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Биологическое воздействие

Рентгеновское излучение является ионизирующим. Оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Применение

• При помощи рентгеновских лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов (см. также рентгенография и рентгеноскопия). При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

• Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

• В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

• При помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.

• В аэропортах активно применяются рентгенотелевизионные интроскопы, позволяющие просматривать содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения на экране монитора предметов, представляющих опасность.

• Рентгенотерапия —проводят преимущественно при поверхностно расположенных опухолях и при некоторых других заболеваниях, в том числе заболеваниях кожи (ультрамягкие рентгеновские лучи Букки).