Razele X joacă unul dintre cele mai importante roluri în studiul și utilizarea practică a fenomenelor atomice. Datorită cercetărilor lor s-au făcut numeroase descoperiri și s-au dezvoltat metode de analiză a substanțelor, care sunt utilizate în diverse domenii. Aici vom lua în considerare unul dintre tipurile de raze X - raze X caracteristice.

Natura și proprietățile razelor X

Radiația de raze X este o modificare de înaltă frecvență a stării unui câmp electromagnetic care se propagă în spațiu cu o viteză de aproximativ 300.000 km/s, adică unde electromagnetice. Pe scara intervalului de radiații electromagnetice, razele X sunt situate în intervalul de lungimi de undă de la aproximativ 10 -8 până la 5∙10 -12 metri, care este cu câteva ordine de mărime mai scurtă decât undele optice. Aceasta corespunde frecvențelor de la 3∙10 16 la 6∙10 19 Hz și energiilor de la 10 eV la 250 keV, sau 1,6∙10 -18 la 4∙10 -14 J. Trebuie remarcat faptul că limitele intervalelor de frecvență ale radiațiile electromagnetice sunt destul de convenționale datorită suprapunerii lor.

Este interacțiunea particulelor încărcate accelerate (electroni de înaltă energie) cu câmpurile electrice și magnetice și cu atomii materiei.

Fotonii de raze X se caracterizează prin energii mari și putere mare de penetrare și ionizare, în special pentru razele X dure cu lungimi de undă mai mici de 1 nanometru (10 -9 m).

Razele X interacționează cu materia, ionizându-i atomii, în procesele de efect fotoelectric (fotoabsorbție) și de împrăștiere incoerentă (Compton). În fotoabsorbție, un foton de raze X, fiind absorbit de un electron al unui atom, îi transferă energie. Dacă valoarea sa depășește energia de legare a unui electron într-un atom, atunci el părăsește atomul. Imprăștirea Compton este caracteristică fotonilor cu raze X mai duri (energetici). O parte din energia fotonului absorbit este cheltuită pentru ionizare; in acest caz, la un anumit unghi fata de directia fotonului primar, se emite unul secundar, cu o frecventa mai mica.

Tipuri de radiații cu raze X. Bremsstrahlung

Pentru a obtine raze se folosesc sticle de vid de sticla cu electrozi situati in interior. Diferența de potențial între electrozi trebuie să fie foarte mare - până la sute de kilovolți. Pe un catod de wolfram încălzit de curent are loc o emisie termoionică, adică din el sunt emiși electroni care, accelerați de diferența de potențial, bombardează anodul. Ca urmare a interacțiunii lor cu atomii anodului (uneori numit anticatod), se nasc fotonii de raze X.

În funcție de procesul care duce la nașterea unui foton, există astfel de tipuri de radiații cu raze X precum bremsstrahlung și caracteristice.

Electronii pot, întâlnindu-se cu anodul, să încetinească, adică să piardă energie în câmpurile electrice ale atomilor săi. Această energie este emisă sub formă de fotoni de raze X. O astfel de radiație se numește bremsstrahlung.

Este clar că condițiile de frânare vor diferi pentru electroni individuali. Aceasta înseamnă că diferite cantități din energia lor cinetică sunt convertite în raze X. Ca rezultat, bremsstrahlung include fotoni de diferite frecvențe și, în consecință, lungimi de undă. Prin urmare, spectrul său este continuu (continuu). Uneori din acest motiv se mai numește și raze X „albe”.

Energia fotonului bremsstrahlung nu poate depăși energia cinetică a electronului care îl generează, astfel încât frecvența maximă (și cea mai mică lungime de undă) a bremsstrahlung corespunde cu cea mai mare valoare a energiei cinetice a electronilor incidente pe anod. Acesta din urmă depinde de diferența de potențial aplicată electrozilor.

Există un alt tip de radiografie care provine dintr-un proces diferit. Această radiație se numește caracteristică și ne vom opri asupra ei mai detaliat.

Cum sunt produse razele X caracteristice

Ajuns la anticatod, un electron rapid poate pătrunde în interiorul atomului și poate elimina orice electron de pe unul dintre orbitalii inferiori, adică poate transfera acestuia energie suficientă pentru a depăși bariera de potențial. Cu toate acestea, dacă există niveluri mai mari de energie ocupate de electroni în atom, locul eliberat nu va rămâne gol.

Trebuie amintit că structura electronică a atomului, ca orice sistem energetic, urmărește să minimizeze energia. Locul vacant format ca urmare a knockout-ului este umplut cu un electron de la unul dintre nivelurile superioare. Energia sa este mai mare și, ocupând un nivel inferior, emite un surplus sub forma unui cuantum de radiație caracteristică de raze X.

Structura electronică a unui atom este un set discret de stări de energie posibile ale electronilor. Prin urmare, fotonii de raze X emiși în timpul înlocuirii golurilor de electroni pot avea, de asemenea, doar valori de energie strict definite, reflectând diferența de nivel. Ca urmare, radiația caracteristică de raze X are un spectru nu de tip continuu, ci de tip linie. Un astfel de spectru face posibilă caracterizarea substanței anodului - de unde și numele acestor raze. Tocmai din cauza diferențelor spectrale este clar ce se înțelege prin bremsstrahlung și razele X caracteristice.

Uneori, excesul de energie nu este emis de atom, ci este cheltuit pentru a elimina cel de-al treilea electron. Acest proces - așa-numitul efect Auger - este mai probabil să apară atunci când energia de legare a electronilor nu depășește 1 keV. Energia electronului Auger eliberat depinde de structura nivelurilor de energie ale atomului, astfel încât spectrele unor astfel de electroni sunt, de asemenea, discrete.

Vedere generală a spectrului caracteristic

Liniile caracteristice înguste sunt prezente în modelul spectral de raze X împreună cu un spectru bremsstrahlung continuu. Dacă reprezentăm spectrul ca o diagramă a intensității în funcție de lungimea de undă (frecvență), vom vedea vârfuri ascuțite în locațiile liniilor. Poziția lor depinde de materialul anodului. Aceste maxime sunt prezente la orice diferență de potențial - dacă există raze X, există întotdeauna și vârfuri. Odată cu creșterea tensiunii la electrozii tubului, intensitatea radiației X continue și caracteristice crește, dar locația vârfurilor și raportul intensităților acestora nu se modifică.

Vârfurile din spectrele de raze X au aceeași formă indiferent de materialul anticatodului iradiat de electroni, dar pentru diferite materiale sunt situate la frecvențe diferite, unindu-se în serie în funcție de proximitatea valorilor de frecvență. Între serii în sine, diferența de frecvențe este mult mai semnificativă. Forma maximelor nu depinde în niciun fel de faptul dacă materialul anodic reprezintă un element chimic pur sau dacă este o substanță complexă. În acest din urmă caz, spectrele de raze X caracteristice ale elementelor sale constitutive sunt pur și simplu suprapuse unele peste altele.

Odată cu creșterea numărului atomic al unui element chimic, toate liniile spectrului său de raze X sunt deplasate spre creșterea frecvenței. Spectrul își păstrează forma.

legea lui Moseley

Fenomenul deplasării spectrale a liniilor caracteristice a fost descoperit experimental de către fizicianul englez Henry Moseley în 1913. Acest lucru ia permis să asocieze frecvențele maximelor spectrului cu numerele ordinale ale elementelor chimice. Astfel, lungimea de undă a radiației X caracteristice, după cum sa dovedit, poate fi corelată în mod clar cu un element specific. În general, legea lui Moseley poate fi scrisă după cum urmează: √f = (Z - S n)/n√R, unde f este frecvența, Z este numărul ordinal al elementului, S n este constanta de screening, n este cuanta principală număr, iar R este constanta Rydberg. Această relație este liniară și apare pe diagrama Moseley ca o serie de linii drepte pentru fiecare valoare a lui n.

Valorile lui n corespund unor serii individuale de vârfuri caracteristice de raze X. Legea lui Moseley permite determinarea numărului de serie al unui element chimic iradiat de electroni duri din lungimile de undă măsurate (acestea sunt legate în mod unic de frecvențe) ale maximelor spectrului de raze X.

Structura învelișurilor electronice ale elementelor chimice este identică. Acest lucru este indicat de monotonitatea schimbării deplasării în spectrul caracteristic al razelor X. Schimbarea de frecvență reflectă nu diferențe structurale, ci de energie între învelișurile de electroni, unice pentru fiecare element.

Rolul legii lui Moseley în fizica atomică

Există mici abateri de la relația liniară strictă exprimată de legea lui Moseley. Ele sunt legate, în primul rând, de particularitățile ordinii de umplere a învelișurilor de electroni în unele elemente și, în al doilea rând, de efectele relativiste ale mișcării electronilor în atomii grei. În plus, atunci când numărul de neutroni din nucleu se modifică (așa-numita schimbare izotopică), poziția liniilor se poate schimba ușor. Acest efect a făcut posibilă studierea structurii atomice în detaliu.

Semnificația legii lui Moseley este extrem de mare. Aplicarea sa consecventă la elementele sistemului periodic al lui Mendeleev a stabilit modelul de creștere a numărului de serie în funcție de fiecare mică schimbare a maximelor caracteristice. Acest lucru a contribuit la clarificarea problemei semnificației fizice a numărului ordinal de elemente. Valoarea Z nu este doar un număr: este sarcina electrică pozitivă a nucleului, care este suma sarcinilor pozitive unitare ale particulelor care îl compun. Amplasarea corectă a elementelor în tabel și prezența pozițiilor goale în acesta (atunci încă existau) au primit o confirmare puternică. S-a dovedit valabilitatea legii periodice.

Legea lui Moseley, în plus, a devenit baza pe care a luat naștere o întreagă zonă de cercetare experimentală - spectrometria cu raze X.

Structura învelișurilor de electroni ale atomului

Să ne amintim pe scurt modul în care este aranjat electronul, care constă din învelișuri, notate cu literele K, L, M, N, O, P, Q sau numere de la 1 la 7. Electronii din înveliș sunt caracterizați de aceleași elemente principale. numărul cuantic n, care determină valorile energetice posibile. În învelișurile exterioare, energia electronilor este mai mare, iar potențialul de ionizare pentru electronii exteriori este în mod corespunzător mai mic.

Învelișul include unul sau mai multe subniveluri: s, p, d, f, g, h, i. În fiecare înveliș, numărul de subniveluri crește cu unul față de cel precedent. Numărul de electroni din fiecare subnivel și din fiecare înveliș nu poate depăși o anumită valoare. Ele sunt caracterizate, pe lângă numărul cuantic principal, prin aceeași valoare a norului de electroni orbital care determină forma. Subnivelurile sunt etichetate cu shell-ul căruia îi aparțin, cum ar fi 2s, 4d și așa mai departe.

Subnivelul conține care sunt stabilite, în plus față de principal și orbital, de încă un număr cuantic - magnetic, care determină proiecția impulsului orbital al electronului pe direcția câmpului magnetic. Un orbital nu poate avea mai mult de doi electroni, care diferă în valoarea celui de-al patrulea număr cuantic - spin.

Să luăm în considerare mai detaliat modul în care apar radiațiile caracteristice cu raze X. Deoarece originea acestui tip de emisie electromagnetică este asociată cu fenomene care au loc în interiorul atomului, cel mai convenabil este să o descriem exact în aproximarea configurațiilor electronice.

Mecanismul de generare a razelor X caracteristice

Deci, cauza acestei radiații este formarea de goluri de electroni în învelișurile interioare, datorită pătrunderii electronilor de înaltă energie adânc în atom. Probabilitatea ca un electron dur să interacționeze crește odată cu densitatea norilor de electroni. Prin urmare, coliziunile sunt cel mai probabil în interiorul învelișurilor interioare dens, cum ar fi cel mai de jos K-shell. Aici atomul este ionizat și se formează un loc vacant în învelișul 1s.

Acest loc liber este umplut de un electron din înveliș cu o energie mai mare, al cărui exces este purtat de fotonul cu raze X. Acest electron poate „cădea” din a doua înveliș L, din a treia înveliș M și așa mai departe. Așa se formează seria caracteristică, în acest exemplu, seria K. O indicație despre unde provine electronul care umple postul vacant este dată sub forma unui index grecesc atunci când se desemnează seria. „Alpha” înseamnă că provine din L-shell, „beta” - din M-shell. În prezent, există tendința de a înlocui indicii de litere grecești cu cei latini adoptati pentru a desemna scoici.

Intensitatea liniei alfa din serie este întotdeauna cea mai mare, ceea ce înseamnă că probabilitatea de a ocupa un loc vacant dintr-o coajă vecină este cea mai mare.

Acum putem răspunde la întrebarea care este energia maximă a cuantumului caracteristic de raze X. Este determinată de diferența dintre valorile energetice ale nivelurilor între care are loc tranziția electronilor, conform formulei E \u003d E n 2 - E n 1, unde E n 2 și E n 1 sunt energiile stări electronice între care s-a produs tranziția. Cea mai mare valoare a acestui parametru este dată de tranzițiile din seria K de la cele mai înalte niveluri posibile de atomi de elemente grele. Dar intensitatea acestor linii (înălțimi de vârf) este cea mai mică, deoarece sunt cele mai puțin probabile.

Dacă, din cauza tensiunii insuficiente pe electrozi, un electron dur nu poate ajunge la nivelul K, acesta formează un loc vacant la nivelul L și se formează o serie L mai puțin energică cu lungimi de undă mai mari. Serii ulterioare se nasc într-un mod similar.

În plus, atunci când un post vacant este ocupat, un nou post vacant apare în carcasa de deasupra ca urmare a unei tranziții electronice. Acest lucru creează condițiile pentru generarea următoarei serii. Vacantele electronice se deplasează mai sus de la un nivel la altul, iar atomul emite o cascadă de serii spectrale caracteristice, rămânând în același timp ionizat.

Structura fină a spectrelor caracteristice

Spectrele atomice de raze X ale radiației caracteristice de raze X sunt caracterizate printr-o structură fină, care se exprimă, ca și în spectrele optice, în divizare de linie.

Structura fină se datorează faptului că nivelul de energie - învelișul de electroni - este un set de componente strâns distanțate - subînvelișuri. Pentru a caracteriza subînvelișurile, se mai introduce un număr cuantic intern j, care reflectă interacțiunea momentelor magnetice intrinseci și orbitale ale electronului.

În legătură cu influența interacțiunii spin-orbită, structura energetică a atomului devine mai complicată și, ca urmare, radiația caracteristică de raze X are un spectru care se caracterizează prin linii despicate cu elemente foarte strâns distanțate.

Elementele de structură fină sunt de obicei notate prin indici digitali suplimentari.

Radiația caracteristică de raze X are o trăsătură care se reflectă numai în structura fină a spectrului. Tranziția unui electron la cel mai scăzut nivel de energie nu are loc din subînvelișul inferior al nivelului de deasupra. Un astfel de eveniment are o probabilitate neglijabilă.

Utilizarea razelor X în spectrometrie

Această radiație, datorită caracteristicilor sale descrise de legea lui Moseley, stă la baza diferitelor metode spectrale de raze X pentru analiza substanțelor. La analiza spectrului de raze X se folosesc fie difracția radiației prin cristale (metoda de dispersie a undelor), fie detectoare sensibile la energia fotonilor de raze X absorbiți (metoda de dispersie a energiei). Majoritatea microscoapelor electronice sunt echipate cu o anumită formă de atașament pentru spectrometrie cu raze X.

Spectrometria cu dispersie a undelor se caracterizează printr-o precizie deosebit de ridicată. Cu ajutorul unor filtre speciale sunt selectate cele mai intense vârfuri din spectru, datorită cărora este posibil să se obțină radiații aproape monocromatice cu o frecvență precis cunoscută. Materialul anodului este ales foarte atent pentru a se asigura că se obține un fascicul monocromatic cu frecvența dorită. Difracția sa pe rețeaua cristalină a substanței studiate face posibilă studierea structurii rețelei cu mare precizie. Această metodă este folosită și în studiul ADN-ului și al altor molecule complexe.

Una dintre caracteristicile radiației caracteristice cu raze X este luată în considerare și în spectrometria gamma. Aceasta este intensitatea ridicată a vârfurilor caracteristice. Spectrometrele Gamma folosesc ecranare cu plumb împotriva radiațiilor externe de fond care interferează cu măsurătorile. Dar plumbul, care absoarbe cuante gamma, experimentează ionizare internă, ca urmare a căreia emite activ în intervalul de raze X. Ecranarea suplimentară cu cadmiu este utilizată pentru a absorbi vârfurile intense ale radiației caracteristice de raze X din plumb. Acesta, la rândul său, este ionizat și emite și raze X. Pentru a neutraliza vârfurile caracteristice ale cadmiului, se folosește un al treilea strat de ecranare - cupru, ale cărui maxime de raze X se află în afara intervalului de frecvență de funcționare al spectrometrului gamma.

Spectrometria folosește atât bremsstrahlung, cât și raze X caracteristice. Astfel, în analiza substanţelor se studiază spectrele de absorbţie a razelor X continue de către diverse substanţe.

AGENȚIA FEDERALĂ DE EDUCAȚIE A FEDERĂȚIA RUSĂ

INSTITUȚIE DE ÎNVĂȚĂMÂNT DE STAT

ÎNVĂŢĂMÂNT PROFESIONAL SUPERIOR

INSTITUTUL DE STAT AL OTELULUI SI ALIEIILOR MOSCOVA

(UNIVERSITATEA DE TEHNOLOGIE)

SUCURSALA NOVOTROITSKY

Departamentul OEND

LUCRARE DE CURS

Disciplina: fizica

Subiect: X-RAY

Elev: Nedorezova N.A.

Grupa: EiU-2004-25, Nr. З.К.: 04Н036

Verificat de: Ozhegova S.M.

Introducere

Capitolul 1

1.1 Biografia lui Roentgen Wilhelm Conrad

1.2 Descoperirea razelor X

capitolul 2

2.1 Surse de raze X

2.2 Proprietățile razelor X

2.3 Înregistrarea razelor X

2.4 Utilizarea razelor X

capitolul 3

3.1 Analiza imperfecțiunilor structurii cristaline

3.2 Analiza spectrului

Concluzie

Lista surselor utilizate

Aplicații

Introducere

O persoană rară nu a trecut printr-o cameră de radiografie. Imaginile făcute cu raze X sunt familiare tuturor. În 1995, această descoperire avea 100 de ani. Este greu de imaginat ce mare interes a trezit acum un secol. În mâinile unui bărbat s-a dovedit a fi un aparat cu care era posibil să se vadă invizibilul.

Această radiație invizibilă capabilă să pătrundă, deși în grade diferite, în toate substanțele, adică radiație electromagnetică cu o lungime de undă de aproximativ 10 -8 cm, a fost numită radiație cu raze X, în onoarea lui Wilhelm Roentgen care a descoperit-o.

La fel ca lumina vizibilă, razele X provoacă înnegrirea filmului fotografic. Această proprietate este de mare importanță pentru medicină, industrie și cercetarea științifică. Trecând prin obiectul studiat și apoi căzând pe film, radiația cu raze X își descrie structura internă pe acesta. Deoarece puterea de penetrare a radiației X este diferită pentru diferite materiale, părțile obiectului care sunt mai puțin transparente pentru acesta oferă zone mai luminoase în fotografie decât cele prin care radiația pătrunde bine. Astfel, țesuturile osoase sunt mai puțin transparente la razele X decât țesuturile care alcătuiesc pielea și organele interne. Prin urmare, pe radiografie, oasele vor fi indicate ca zone mai ușoare, iar locul fracturii, care este mai puțin transparent pentru radiații, poate fi detectat destul de ușor. Imagistica cu raze X este, de asemenea, utilizată în stomatologie pentru a detecta carii și abcese la rădăcinile dinților, precum și în industrie pentru a detecta fisuri în piese turnate, materiale plastice și cauciuc, în chimie pentru a analiza compuși și în fizică pentru a studia structura cristalelor. .

Descoperirea lui Roentgen a fost urmată de experimente ale altor cercetători care au descoperit multe proprietăți și posibilități noi de utilizare a acestei radiații. O contribuție majoră a avut-o M. Laue, W. Friedrich și P. Knipping, care în 1912 au demonstrat difracția razelor X pe măsură ce acestea trec printr-un cristal; W. Coolidge, care în 1913 a inventat un tub cu raze X cu vid înalt cu catod încălzit; G. Moseley, care a stabilit în 1913 relația dintre lungimea de undă a radiației și numărul atomic al unui element; G. și L. Braggi, care au primit Premiul Nobel în 1915 pentru dezvoltarea bazelor analizei difracției cu raze X.

Scopul acestui curs este de a studia fenomenul radiației cu raze X, istoria descoperirii, proprietățile și identificarea domeniului de aplicare a acestuia.

Capitolul 1

1.1 Biografia lui Roentgen Wilhelm Conrad

Wilhelm Conrad Roentgen s-a născut la 17 martie 1845 în regiunea de graniță a Germaniei cu Olanda, în orașul Lenepe. Și-a primit studiile tehnice la Zurich la aceeași școală tehnică superioară (politehnică) unde a studiat mai târziu Einstein. Pasiunea pentru fizică l-a forțat după ce a părăsit școala în 1866 să continue educația fizică.

În 1868 și-a susținut disertația pentru gradul de doctor în filozofie, a lucrat ca asistent la Departamentul de Fizică, mai întâi la Zurich, apoi la Giessen, iar apoi la Strasbourg (1874-1879) cu Kundt. Aici Roentgen a trecut printr-o școală experimentală bună și a devenit un experimentator de primă clasă. Roentgen a efectuat o parte din cercetările importante cu studentul său, unul dintre fondatorii fizicii sovietice, A.F. Ioffe.

Cercetarea științifică se referă la electromagnetism, fizica cristalelor, optică, fizica moleculară.

În 1895, a descoperit radiațiile cu o lungime de undă mai mică decât lungimea de undă a razelor ultraviolete (razele X), numite mai târziu raze X, și a investigat proprietățile acestora: capacitatea de a reflecta, absorbi, ioniza aerul etc. El a propus proiectarea corectă a tubului pentru obținerea de raze X - un anticatod de platină înclinat și un catod concav: a fost primul care a făcut fotografii folosind raze X. El a descoperit în 1885 câmpul magnetic al unui dielectric care se mișcă într-un câmp electric (așa-numitul „curent roentgen”).Experiența sa a arătat clar că câmpul magnetic este creat de sarcinile în mișcare și a fost important pentru crearea lui X. Lorentz. teoria electronică.Un număr semnificativ de lucrări ale lui Roentgen sunt dedicate studiului proprietăților lichidelor, gazelor, cristalelor, fenomenelor electromagnetice, a descoperit relația dintre fenomenele electrice și optice din cristale.Pentru descoperirea razelor care îi poartă numele, Roentgen în 1901 a fost primul dintre fizicieni care a primit Premiul Nobel.

Din 1900 până în ultimele zile ale vieții sale (a murit la 10 februarie 1923) a lucrat la Universitatea din München.

1.2 Descoperirea razelor X

Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcată de interes sporit pentru fenomenele de trecere a energiei electrice prin gaze. Chiar și Faraday a studiat serios aceste fenomene, a descris diferite forme de descărcare, a descoperit un spațiu întunecat într-o coloană luminoasă de gaz rarefiat. Spațiul întunecat Faraday separă strălucirea albăstruie, catodică, de strălucirea anodă, roz.

O creștere suplimentară a rarefării gazului schimbă în mod semnificativ natura strălucirii. Matematicianul Plücker (1801-1868) a descoperit în 1859, la o rarefacție suficient de puternică, un fascicul de raze slab albăstrui care emana din catod, ajungând la anod și făcând strălucirea sticlei tubului. Studentul lui Plücker Gittorf (1824-1914) în 1869 și-a continuat cercetările profesorului său și a arătat că pe suprafața fluorescentă a tubului apare o umbră distinctă dacă un corp solid este plasat între catod și această suprafață.

Goldstein (1850-1931), studiind proprietățile razelor, le-a numit raze catodice (1876). Trei ani mai târziu, William Crookes (1832-1919) a dovedit natura materială a razelor catodice și le-a numit „materie radiantă" - o substanță într-o a patra stare specială. Dovezile sale au fost convingătoare și clare. Experimentele cu „tubul Crookes" au fost mai târziu demonstrat în toate sălile fizice . Deviația fasciculului catodic de către un câmp magnetic într-un tub Crookes a devenit o demonstrație școlară clasică.

Cu toate acestea, experimentele privind deviația electrică a razelor catodice nu au fost atât de convingătoare. Hertz nu a detectat o astfel de abatere și a ajuns la concluzia că raza catodica este un proces oscilator în eter. Studentul lui Hertz, F. Lenard, experimentând cu raze catodice, a arătat în 1893 că acestea trec printr-o fereastră acoperită cu folie de aluminiu și provoacă o strălucire în spațiul din spatele ferestrei. Hertz și-a dedicat ultimul articol, publicat în 1892, fenomenului trecerii razelor catodice prin corpuri subțiri de metal.A început cu cuvintele:

„Razele catodice diferă de lumină într-un mod semnificativ în ceea ce privește capacitatea lor de a pătrunde în solide.” Descriind rezultatele experimentelor privind trecerea razelor catodice prin frunze de aur, argint, platină, aluminiu etc., Hertz notează că nu a observați orice diferențe speciale în fenomene Razele nu trec prin frunze în linie dreaptă, ci sunt împrăștiate prin difracție. Natura razelor catodice era încă neclară.

Cu astfel de tuburi de Crookes, Lenard și alții a experimentat profesorul de la Würzburg Wilhelm Conrad Roentgen la sfârșitul anului 1895. Odată, după încheierea experimentului, a închis tubul cu un capac de carton negru, a stins lumina, dar nu a oprit inductorul care alimenta tubul, a observat strălucirea ecranului de la cianogenul de bariu situat lângă tub. Lovită de această împrejurare, Roentgen a început să experimenteze cu ecranul. În primul său raport „On a new kind of rays”, din 28 decembrie 1895, scria despre aceste prime experimente: „O bucată de hârtie acoperită cu bariu platină-cianură, când se apropie de un tub, închisă cu un capac de culoare neagră subțire. carton care se potrivește suficient de bine, cu fiecare descărcare clipește cu o lumină puternică: începe să fluoresce. Fluorescența este vizibilă cu întunecare suficientă și nu depinde dacă aducem hârtia cu fața acoperită cu sinerogen de bariu sau nu acoperită cu sinerogen de bariu. Fluorescența este vizibilă chiar și la o distanță de doi metri de tub.”

O examinare atentă a arătat lui Roentgen „că cartonul negru, transparent nici la razele vizibile și ultraviolete ale soarelui, nici la razele unui arc electric, este pătruns de un fel de agent fluorescent.” Roentgen a investigat puterea de penetrare a acestui „agent” , pe care a numit-o pentru concizie „razele X”, pentru diferite substanțe. A constatat că razele trec liber prin hârtie, lemn, ebonită, straturi subțiri de metal, dar sunt puternic întârziate de plumb.

Apoi descrie experiența senzațională:

„Dacă îți ții mâna între tubul de descărcare și ecran, poți vedea umbrele întunecate ale oaselor în contururile slabe ale umbrei mâinii în sine.” Aceasta a fost prima examinare cu raze X a corpului uman. Roentgen a primit și primele raze X prin prinderea lor de mână.

Aceste fotografii au făcut o impresie uriașă; descoperirea nu fusese încă finalizată, iar diagnosticarea cu raze X începuse deja călătoria. „Laboratorul meu a fost inundat de medici care aduceau pacienți care bănuiau că aveau ace în diferite părți ale corpului”, a scris fizicianul englez Schuster.

Deja după primele experimente, Roentgen a stabilit ferm că razele X diferă de cele catodice, nu poartă o sarcină și nu sunt deviate de un câmp magnetic, dar sunt excitate de razele catodice. „Razele X nu sunt identice cu catodul. razele, dar sunt excitate de ele în pereții de sticlă ai tubului de descărcare ”, a scris Roentgen.

De asemenea, a stabilit că sunt excitați nu numai în sticlă, ci și în metale.

Menționând ipoteza Hertz-Lenard conform căreia razele catodice „sunt un fenomen care are loc în eter”, Roentgen subliniază că „putem spune ceva similar despre razele noastre”. Cu toate acestea, el nu a reușit să detecteze proprietățile undei ale razelor, ele „se comportă diferit decât razele ultraviolete, vizibile, infraroșii cunoscute până acum.” În acțiunile lor chimice și luminiscente, potrivit lui Roentgen, ele sunt similare cu razele ultraviolete. În primul mesaj , el a exprimat ipoteza lăsată mai târziu că pot fi unde longitudinale în eter.

Descoperirea lui Roentgen a trezit un mare interes în lumea științifică. Experimentele sale au fost repetate în aproape toate laboratoarele din lume. La Moscova au fost repetate de P.N. Lebedev. La Sankt Petersburg, inventatorul radioului A.S. Popov a experimentat cu raze X, le-a demonstrat la prelegeri publice, obținând diferite raze X. În Cambridge D.D. Thomson a aplicat imediat efectul ionizant al razelor X pentru a studia trecerea electricității prin gaze. Cercetările sale au dus la descoperirea electronului.

capitolul 2

Radiaţia de raze X - radiaţie electromagnetică ionizantă, ocupând regiunea spectrală dintre radiaţiile gamma şi ultraviolete în lungimi de undă de la 10 -4 la 10 3 (de la 10 -12 la 10 -5 cm).R. l. cu lungimea de undă λ< 2 условно называются жёсткими, с λ >2 - moale.

2.1 Surse de raze X

Cea mai comună sursă de raze X este tubul cu raze X. - dispozitiv de electrovacuum servind ca sursă de raze X. O astfel de radiație apare atunci când electronii emiși de catod decelerează și lovesc anodul (anticatodul); în acest caz, energia electronilor accelerată de un câmp electric puternic în spațiul dintre anod și catod este parțial convertită în energie de raze X. Radiația tubului cu raze X este o suprapunere a bremsstrahlung cu raze X pe radiația caracteristică a materialului anodic. Tuburile de raze X se disting: după metoda de obținere a unui flux de electroni - cu catod termoionic (încălzit), catod cu emisie de câmp (ascuțit), catod bombardat cu ioni pozitivi și cu o sursă de electroni (β) radioactivă; conform metodei de aspirare - sigilat, pliabil; dupa timpul de radiatie - actiune continua, pulsata; în funcție de tipul de răcire a anodului - cu apă, ulei, aer, răcire prin radiații; în funcție de dimensiunea focalizării (zona de radiație pe anod) - macrofocus, focalizare clară și microfocus; după forma sa - inel, rotund, riglat; după metoda de focalizare a electronilor pe anod - cu focalizare electrostatică, magnetică, electromagnetică.

Tuburile cu raze X sunt utilizate în analiza structurală cu raze X (Anexa 1), analiza spectrală cu raze X, detectarea defectelor (Anexa 1), diagnosticare cu raze X (Anexa 1), radioterapie , microscopie cu raze X și microradiografie. Tuburile de raze X sigilate cu un catod termoionic, un anod răcit cu apă și un sistem de focalizare electrostatică a electronilor sunt utilizate pe scară largă în toate domeniile (Anexa 2). Catodul termoionic al tuburilor cu raze X este de obicei o spirală sau un filament drept de sârmă de tungsten încălzit de un curent electric. Secțiunea de lucru a anodului - o suprafață de oglindă metalică - este situată perpendicular sau la un anumit unghi pe fluxul de electroni. Pentru a obține un spectru continuu de radiații cu raze X de energii și intensitate mari, se folosesc anozi din Au, W; Tuburile cu raze X cu anozi Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag sunt utilizate în analiza structurală.

Principalele caracteristici ale tuburilor cu raze X sunt tensiunea maximă admisă de accelerare (1-500 kV), curentul electronic (0,01 mA - 1A), puterea specifică disipată de anod (10-10 4 W / mm 2), consumul total de energie (0,002 W - 60 kW) și dimensiuni de focalizare (1 µm - 10 mm). Eficiența tubului cu raze X este de 0,1-3%.

Unii izotopi radioactivi pot servi și ca surse de raze X. : unele dintre ele emit direct raze X, radiațiile nucleare ale altora (electroni sau particule λ) bombardează o țintă metalică, care emite raze X. Intensitatea razelor X a surselor izotopice este cu câteva ordine de mărime mai mică decât intensitatea radiației unui tub cu raze X, dar dimensiunile, greutatea și costul surselor izotopice sunt incomparabil mai mici decât cele cu un tub cu raze X.

Sincrotronii și inelele de stocare a electronilor cu energii de câțiva GeV pot servi ca surse de raze X moi cu λ de ordinul zecilor și sutelor. În intensitate, radiația de raze X a sincrotronilor depășește radiația unui tub de raze X în regiunea specificată a spectrului cu 2-3 ordine de mărime.

Surse naturale de raze X - Soarele și alte obiecte spațiale.

2.2 Proprietățile razelor X

În funcție de mecanismul de origine a razelor X, spectrele acestora pot fi continue (bremsstrahlung) sau liniare (caracteristice). Un spectru continuu de raze X este emis de particulele încărcate rapid ca rezultat al decelerarii lor atunci când interacționează cu atomii țintă; acest spectru atinge o intensitate semnificativă doar atunci când ținta este bombardată cu electroni. Intensitatea razelor X bremsstrahlung este distribuită pe toate frecvențele până la limita de înaltă frecvență 0 , la care energia fotonului h 0 (h este constanta lui Planck ) este egală cu energia eV a electronilor care bombardează (e este sarcina electronilor, V este diferența de potențial a câmpului de accelerație trecut de ei). Această frecvență corespunde marginii cu lungime de undă scurtă a spectrului 0 = hc/eV (c este viteza luminii).

Radiația de linie apare după ionizarea unui atom cu ejectarea unui electron dintr-una dintre învelișurile sale interioare. O astfel de ionizare poate fi rezultatul ciocnirii unui atom cu o particulă rapidă, cum ar fi un electron (razele X primare) sau absorbția unui foton de către un atom (razele X fluorescente). Atomul ionizat se găsește în starea cuantică inițială la unul dintre nivelurile de energie înalte și după 10 -16 -10 -15 secunde trece în starea finală cu o energie mai mică. În acest caz, un atom poate emite un exces de energie sub forma unui foton de o anumită frecvență. Frecvențele liniilor spectrului unei astfel de radiații sunt caracteristice atomilor fiecărui element, de aceea spectrul liniei de raze X se numește caracteristic. Dependența frecvenței liniei acestui spectru de numărul atomic Z este determinată de legea Moseley.

legea lui Moseley, legea care raportează frecvența liniilor spectrale ale emisiei caracteristice de raze X a unui element chimic cu numărul său de serie. G. Moseley instalat experimental în 1913. Conform legii lui Moseley, rădăcina pătrată a frecvenței  a liniei spectrale a radiației caracteristice a unui element este o funcție liniară a numărului său de serie Z:

unde R este constanta Rydberg , S n - constanta de screening, n - numărul cuantic principal. Pe diagrama Moseley (Anexa 3), dependența de Z este o serie de linii drepte (K-, L-, M- etc. serie corespunzătoare valorilor n = 1, 2, 3,.).

Legea lui Moseley a fost dovada de necontestat a plasării corecte a elementelor în tabelul periodic al elementelor DI. Mendeleev și a contribuit la elucidarea semnificației fizice a lui Z.

În conformitate cu legea lui Moseley, spectrele caracteristice de raze X nu prezintă modelele periodice inerente spectrelor optice. Acest lucru indică faptul că învelișurile interioare de electroni ale atomilor tuturor elementelor care apar în spectrele caracteristice de raze X au o structură similară.

Experimentele ulterioare au evidențiat unele abateri de la o dependență liniară pentru grupurile de tranziție ale elementelor asociate cu o modificare a ordinii de umplere a învelișurilor de electroni exterioare, precum și pentru atomii grei, rezultate din efecte relativiste (explicate condiționat prin faptul că vitezele dintre cele interioare sunt comparabile cu viteza luminii).

În funcție de o serie de factori - de numărul de nucleoni din nucleu (deplasare izotonică), starea învelișurilor exterioare de electroni (deplasare chimică) etc. - poziția liniilor spectrale pe diagrama Moseley se poate schimba oarecum. Studiul acestor deplasări permite obținerea de informații detaliate despre atom.

Razele X Bremsstrahlung emise de ținte foarte subțiri sunt complet polarizate aproape de 0; pe măsură ce 0 scade, gradul de polarizare scade. Radiația caracteristică, de regulă, nu este polarizată.

Când razele X interacționează cu materia, poate apărea efectul fotoelectric. , însoțind absorbția sa de raze X și împrăștierea acestora, efectul fotoelectric se observă atunci când un atom, absorbind un foton de raze X, ejectează unul dintre electronii săi interni, după care poate fie să facă o tranziție radiativă, emitând un foton de caracteristică. radiație sau ejectați un al doilea electron în timpul unei tranziții nonradiative (electron Auger). Sub acțiunea razelor X asupra cristalelor nemetalice (de exemplu, asupra sării geme), în unele noduri ale rețelei atomice apar ioni cu o sarcină pozitivă suplimentară, iar în apropierea lor apar electroni în exces. Astfel de tulburări în structura cristalelor, numite excitoni de raze X , sunt centre de culoare și dispar doar cu o creștere semnificativă a temperaturii.

Când razele X trec printr-un strat de substanță cu grosimea x, intensitatea lor inițială I 0 scade la valoarea I = I 0 e - μ x unde μ este coeficientul de atenuare. Atenuarea lui I are loc din cauza a două procese: absorbția fotonilor de raze X de către materie și schimbarea direcției lor la împrăștiere. În regiunea cu lungime de undă lungă a spectrului predomină absorbția razelor X, în regiunea cu lungime de undă scurtă, împrăștierea acestora. Gradul de absorbție crește rapid odată cu creșterea Z și λ. De exemplu, razele X dure pătrund liber printr-un strat de aer ~ 10 cm; o placă de aluminiu de 3 cm grosime atenuează razele X cu λ = 0,027 la jumătate; razele X moi sunt absorbite semnificativ în aer, iar utilizarea și studiul lor este posibilă numai în vid sau într-un gaz slab absorbant (de exemplu, He). Când razele X sunt absorbite, atomii unei substanțe sunt ionizați.

Efectul razelor X asupra organismelor vii poate fi benefic sau dăunător, în funcție de ionizarea pe care o produc în țesuturi. Deoarece absorbția razelor X depinde de λ, intensitatea lor nu poate servi ca măsură a efectului biologic al razelor X. Măsurătorile cu raze X sunt folosite pentru a măsura efectul razelor X asupra materiei. , unitatea de măsură este roentgen

Difuzarea razelor X în regiunea Z și λ mare are loc în principal fără o modificare a lui λ și se numește împrăștiere coerentă, iar în regiunea Z și λ mici, de regulă, crește (împrăștiere incoerentă). Există 2 tipuri de împrăștiere incoerentă de raze X - Compton și Raman. În împrăștierea Compton, care are caracterul împrăștierii corpusculare inelastice, un electron de recul zboară din învelișul atomic din cauza energiei pierdute parțial de fotonul de raze X. În acest caz, energia fotonului scade și direcția acestuia se schimbă; modificarea lui λ depinde de unghiul de împrăștiere. În timpul împrăștierii Raman a unui foton de raze X de înaltă energie de către un atom de lumină, o mică parte din energia acestuia este cheltuită pentru ionizarea atomului și direcția mișcării fotonului se schimbă. Schimbarea unor astfel de fotoni nu depinde de unghiul de împrăștiere.

Indicele de refracție n pentru raze X diferă de 1 printr-o cantitate foarte mică δ = 1-n ≈ 10 -6 -10 -5 . Viteza de fază a razelor X într-un mediu este mai mare decât viteza luminii în vid. Deviația razelor X în timpul trecerii de la un mediu la altul este foarte mică (câteva minute de arc). Când razele X cad dintr-un vid pe suprafața unui corp la un unghi foarte mic, are loc reflexia lor externă totală.

2.3 Înregistrarea razelor X

Ochiul uman nu este sensibil la razele X. Raze X

razele sunt înregistrate folosind o peliculă specială cu raze X care conține o cantitate crescută de Ag, Br. În regiunea λ<0,5 чувствительность этих плёнок быстро падает и может быть искусственно повышена плотно прижатым к плёнке флуоресцирующим экраном. В области λ>5, sensibilitatea filmului pozitiv obișnuit este destul de mare, iar granulele sale sunt mult mai mici decât boabele filmului cu raze X, ceea ce mărește rezoluția. La λ de ordinul zecilor și sutelor, razele X acționează numai asupra stratului de suprafață cel mai subțire al emulsiei fotografice; pentru a creste sensibilitatea filmului se sensibilizeaza cu uleiuri luminiscente. În diagnosticarea cu raze X și detectarea defectelor, electrofotografia este uneori folosită pentru a înregistra raze X. (electroradiografie).

Razele X de intensitate mare pot fi înregistrate folosind o cameră de ionizare (Anexa 4), Raze X de intensități medii și scăzute la λ< 3 - сцинтилляционным счётчиком cu cristal NaI (Tl) (Anexa 5), la 0,5< λ < 5 - счётчиком Гейгера - Мюллера (Anexa 6) și contor proporțional lipit (Anexa 7), la 1< λ < 100 - проточным пропорциональным счётчиком, при λ < 120 - полупроводниковым детектором (Anexa 8). În regiunea λ foarte mare (de la zeci la 1000), multiplicatorii de electroni secundari de tip deschis cu diferiți fotocatozi la intrare pot fi utilizați pentru a înregistra razele X.

2.4 Utilizarea razelor X

Razele X sunt cele mai utilizate în medicină pentru diagnosticarea cu raze X. si radioterapie . Detectarea defectelor cu raze X este importantă pentru multe ramuri ale tehnologiei. , de exemplu, pentru a detecta defecte interne la piese turnate (coci, incluziuni de zgură), fisuri în șine, defecte la suduri.

Analiza structurală cu raze X vă permite să stabiliți aranjarea spațială a atomilor în rețeaua cristalină a mineralelor și compușilor, în molecule anorganice și organice. Pe baza a numeroase structuri atomice care au fost deja descifrate, se poate rezolva și problema inversă: după modelul cu raze X substanță policristalină, de exemplu, oțel aliat, aliaj, minereu, sol lunar, se poate stabili compoziția cristalină a acestei substanțe, i.e. s-a efectuat analiza de fază. Numeroase aplicații ale lui R. l. radiografia materialelor este utilizată pentru studiul proprietăților solidelor .

microscopie cu raze X permite, de exemplu, obținerea unei imagini a unei celule, a unui microorganism, pentru a vedea structura lor internă. Spectroscopie cu raze X folosind spectre de raze X, el studiază distribuția de energie a densității stărilor electronice în diferite substanțe, investighează natura legăturii chimice și găsește încărcătura efectivă a ionilor în solide și molecule. Analiza spectrală cu raze X prin poziția și intensitatea liniilor spectrului caracteristic vă permite să determinați compoziția calitativă și cantitativă a substanței și este utilizat pentru controlul expres nedistructiv al compoziției materialelor la fabricile metalurgice și de ciment, uzinele de prelucrare. La automatizarea acestor întreprinderi, spectrometrele și quantometrele cu raze X sunt utilizate ca senzori pentru compoziția unei substanțe.

Razele X care vin din spațiu transportă informații despre compoziția chimică a corpurilor cosmice și despre procesele fizice care au loc în spațiu. Astronomia cu raze X se ocupă cu studiul razelor X cosmice . Raze X puternice sunt folosite în chimia radiațiilor pentru a stimula anumite reacții, polimerizarea materialelor și crăparea substanțelor organice. Razele X sunt folosite și pentru a detecta picturi antice ascunse sub un strat de pictură târzie, în industria alimentară pentru a detecta obiecte străine care au intrat accidental în produsele alimentare, în criminalistică, arheologie etc.

capitolul 3

Una dintre sarcinile principale ale analizei difracției cu raze X este determinarea compoziției reale sau de fază a unui material. Metoda de difracție cu raze X este directă și se caracterizează prin fiabilitate ridicată, rapiditate și relativ ieftinitate. Metoda nu necesită o cantitate mare de substanță, analiza poate fi efectuată fără distrugerea piesei. Domeniile de aplicare ale analizei calitative de fază sunt foarte diverse atât pentru cercetarea științifică, cât și pentru controlul în producție. Puteți verifica compoziția materiilor prime de producție metalurgică, produse de sinteză, prelucrare, rezultatul schimbărilor de fază în timpul tratamentului termic și chimico-termic, analiza diferite acoperiri, pelicule subțiri etc.

Fiecare fază, având propria sa structură cristalină, se caracterizează printr-un anumit set de valori discrete ale distanțelor interplanare d/n de la maxim și dedesubt, inerente doar acestei faze. După cum rezultă din ecuația Wulf-Bragg, fiecare valoare a distanței interplanare corespunde unei linii pe modelul de raze X dintr-o probă policristalină la un anumit unghi θ (la o valoare dată a lungimii de undă λ). Astfel, un anumit sistem de linii (maxime de difracție) va corespunde unui anumit set de distanțe interplanare pentru fiecare fază din modelul de difracție de raze X. Intensitatea relativă a acestor linii în modelul cu raze X depinde în primul rând de structura fazei. Prin urmare, determinând locația liniilor pe imaginea cu raze X (unghiul său θ) și cunoscând lungimea de undă a radiației pe care a fost luată imaginea cu raze X, este posibil să se determine valorile distanțelor interplanare. d/n folosind formula Wulf-Bragg:

/n = λ/ (2sin θ). (unu)

După ce s-a determinat setul d/n pentru materialul studiat și comparându-l cu datele d/n cunoscute anterior pentru substanțele pure, diferiții lor compuși, este posibil să se stabilească ce fază constituie acest material. Trebuie subliniat că fazele sunt determinate și nu compoziția chimică, dar aceasta din urmă poate fi uneori dedusă dacă există date suplimentare despre compoziția elementară a unei anumite faze. Sarcina analizei calitative de fază este mult facilitată dacă se cunoaște compoziția chimică a materialului studiat, deoarece atunci se pot face ipoteze preliminare despre fazele posibile în acest caz.

Cheia analizei de fază este măsurarea cu precizie a intensității d/n și a liniei. Deși acest lucru este, în principiu, mai ușor de realizat folosind un difractometru, fotometoda pentru analiza calitativă are unele avantaje, în primul rând în ceea ce privește sensibilitatea (capacitatea de a detecta prezența unei cantități mici de fază în probă), precum și simplitatea tehnica experimentală.

Calculul d/n din diagrama de raze X se realizează folosind ecuația Wulf-Bragg.

Ca valoare a lui λ în această ecuație, se utilizează de obicei λ α cf seria K:

λ α cf = (2λ α1 + λ α2) /3 (2)

Uneori se folosește linia K α1. Determinarea unghiurilor de difracție θ pentru toate liniile de raze X vă permite să calculați d / n conform ecuației (1) și să separați liniile β (dacă nu a existat un filtru pentru (razele β).

3.1 Analiza imperfecțiunilor structurii cristaline

Toate materialele reale monocristaline și cu atât mai mult policristaline conțin anumite imperfecțiuni structurale (defecte punctuale, dislocații, diferite tipuri de interfețe, micro și macro-stresuri), care au un efect foarte puternic asupra tuturor proprietăților și proceselor sensibile la structură.

Imperfecțiunile structurale provoacă distorsiuni ale rețelei cristaline de natură diferită și, ca urmare, diferite tipuri de modificări ale modelului de difracție: o modificare a distanțelor interatomice și interplanare determină o schimbare a maximelor de difracție, microtensiunile și dispersitatea substructurii duc la o lărgire. de maxime de difracție, microdistorsiuni de rețea - la modificarea intensității acestor maxime, dislocațiile de prezență determină fenomene anormale în timpul trecerii razelor X și, în consecință, neomogenități locale de contrast pe topogramele de raze X etc.

Ca rezultat, analiza de difracție cu raze X este una dintre cele mai informative metode pentru studiul imperfecțiunilor structurale, tipul și concentrația lor și natura distribuției lor.

Metoda tradițională directă de difracție cu raze X, care este implementată pe difractometrele staționare, datorită caracteristicilor lor de proiectare, permite determinarea cantitativă a tensiunilor și deformațiilor numai pe eșantioane mici tăiate din piese sau obiecte.

Prin urmare, în prezent, există o tranziție de la difractometrele cu raze X staționare la portabile de dimensiuni mici, care oferă o evaluare a tensiunilor din materialul pieselor sau obiectelor fără distrugere în etapele fabricării și funcționării acestora.

Difractometrele portabile cu raze X din seria DRP * 1 fac posibilă controlul tensiunilor reziduale și eficiente în piese, produse și structuri de dimensiuni mari fără distrugere

Programul din mediul Windows permite nu numai determinarea tensiunilor folosind metoda „sin 2 ψ” în timp real, ci și monitorizarea modificării compoziției fazei și texturii. Detectorul de coordonate liniare asigură înregistrarea simultană la unghiuri de difracție 2θ = 43°. tuburile cu raze X de dimensiuni mici de tip „Vulpea” cu luminozitate mare si putere redusa (5 W) asigura siguranta radiologica a aparatului, in care la o distanta de 25 cm de zona iradiata, nivelul de radiatie este egal cu nivelul de fundal natural. Dispozitivele din seria DRP sunt utilizate în determinarea tensiunilor în diferite stadii de formare a metalelor, tăiere, șlefuire, tratament termic, sudare, călire la suprafață în vederea optimizării acestor operațiuni tehnologice. Controlul scăderii nivelului tensiunilor de compresiune reziduale induse în produsele și structurile deosebit de critice în timpul funcționării acestora face posibilă scoaterea din funcțiune a produsului înainte de distrugerea sa, prevenind posibilele accidente și catastrofe.

3.2 Analiza spectrului

Odată cu determinarea structurii cristaline atomice și a compoziției de fază a materialului, pentru caracterizarea completă a acestuia, este obligatorie determinarea compoziției sale chimice.

Din ce în ce mai mult, diferite așa-numite metode instrumentale de analiză spectrală sunt utilizate în practică în aceste scopuri. Fiecare dintre ele are propriile avantaje și aplicații.

Una dintre cerințele importante în multe cazuri este ca metoda folosită să asigure siguranța obiectului analizat; Aceste metode de analiză sunt discutate în această secțiune. Următorul criteriu după care au fost alese metodele de analiză descrise în această secțiune este localitatea acestora.

Metoda analizei spectrale cu raze X cu fluorescență se bazează pe pătrunderea unei radiații de raze X destul de dure (de la un tub de raze X) în obiectul analizat, pătrunzând într-un strat cu o grosime de ordinul mai multor micrometri. Radiația caracteristică de raze X care apare în acest caz în obiect face posibilă obținerea de date medii privind compoziția sa chimică.

Pentru a determina compoziția elementară a unei substanțe, se poate folosi analiza spectrului caracteristic de raze X al unei probe plasate pe anodul unui tub cu raze X și supusă bombardării electronice - metoda de emisie sau analiza spectrului. de radiație secundară (fluorescentă) cu raze X a unei probe supuse iradierii cu raze X dure de la un tub de raze X sau altă sursă - metoda fluorescentă.

Dezavantajul metodei de emisie este, in primul rand, necesitatea amplasarii probei pe anodul tubului cu raze X, urmata de evacuare cu pompe de vid; evident, această metodă este nepotrivită pentru substanțele fuzibile și volatile. Al doilea dezavantaj este legat de faptul că chiar și obiectele refractare sunt deteriorate de bombardamentul cu electroni. Metoda fluorescentă este lipsită de aceste neajunsuri și, prin urmare, are o aplicație mult mai largă. Avantajul metodei fluorescente este și absența bremsstrahlungului, care îmbunătățește sensibilitatea analizei. Compararea lungimilor de undă măsurate cu tabelele liniilor spectrale ale elementelor chimice stă la baza unei analize calitative, iar intensitățile relative ale liniilor spectrale ale diferitelor elemente care formează substanța eșantion stau la baza unei analize cantitative. Din luarea în considerare a mecanismului de excitare a radiațiilor X caracteristice, este clar că radiațiile uneia sau altei serii (K sau L, M etc.) apar simultan, iar raportul intensităților liniei din cadrul seriei este întotdeauna constant. Așadar, prezența acestui sau aceluia element este stabilită nu prin linii individuale, ci printr-o serie de linii în ansamblu (cu excepția celor mai slabe, ținând cont de conținutul acestui element). Pentru elementele relativ ușoare se utilizează analiza liniilor din seria K, pentru elementele grele, liniile din seria L; în diferite condiții (în funcție de echipamentul utilizat și de elementele analizate), diferite regiuni ale spectrului caracteristic pot fi cele mai convenabile.

Principalele caracteristici ale analizei spectrale cu raze X sunt următoarele.

Simplitatea spectrelor caracteristice de raze X chiar și pentru elementele grele (comparativ cu spectrele optice), ceea ce simplifică analiza (număr mic de linii; asemănarea în aranjarea lor reciprocă; cu creșterea numărului ordinal, o schimbare regulată a spectrului către are loc regiunea cu lungime de undă scurtă; simplitatea comparativă a analizei cantitative).

Independenta lungimilor de unda fata de starea atomilor elementului analizat (liber sau intr-un compus chimic). Acest lucru se datorează faptului că apariția radiațiilor caracteristice cu raze X este asociată cu excitarea nivelurilor electronice interne, care în cele mai multe cazuri practic nu se schimbă odată cu gradul de ionizare al atomilor.

Posibilitatea de separare în analiza pământurilor rare și a altor elemente care au diferențe mici în spectre în domeniul optic datorită asemănării structurii electronice a învelișurilor exterioare și diferă foarte puțin în proprietățile lor chimice.

Spectroscopia cu fluorescență cu raze X este „nedistructivă”, deci are un avantaj față de spectroscopia optică convențională atunci când se analizează probe subțiri - tablă subțire de metal, folie etc.

Spectrometre cu fluorescență cu raze X, printre care spectrometre multicanal sau quantometre, care oferă o analiză cantitativă expresă a elementelor (de la Na sau Mg la U) cu o eroare mai mică de 1% din valoarea determinată, un prag de sensibilitate de 10 -3 ... 10 -4% .

fascicul de raze X

Metode de determinare a compoziției spectrale a razelor X

Spectrometrele sunt împărțite în două tipuri: cu difracție cu cristale și fără cristale.

Descompunerea razelor X într-un spectru folosind un rețele de difracție naturală - un cristal - este în esență similară cu obținerea unui spectru de raze luminoase obișnuite folosind un rețele de difracție artificială sub formă de lovituri periodice pe sticlă. Condiția pentru formarea unui maxim de difracție poate fi scrisă ca condiția de „reflexie” dintr-un sistem de plane atomice paralele separate de o distanță d hkl .

Atunci când se efectuează o analiză calitativă, se poate aprecia prezența unui element într-o probă după o linie - de obicei cea mai intensă linie din seria spectrală potrivită pentru un anumit cristal analizor. Rezoluția spectrometrelor de difracție cu cristale este suficientă pentru a separa liniile caracteristice chiar și ale elementelor adiacente în poziție în tabelul periodic. Cu toate acestea, este, de asemenea, necesar să se țină seama de impunerea diferitelor linii de diferite elemente, precum și de impunerea de reflectări de diferite ordine. Această circumstanță trebuie luată în considerare la alegerea liniilor analitice. În același timp, este necesar să se utilizeze posibilitățile de îmbunătățire a rezoluției dispozitivului.

Concluzie

Astfel, razele X sunt radiații electromagnetice invizibile cu o lungime de undă de 10 5 - 10 2 nm. Razele X pot pătrunde în unele materiale care sunt opace la lumina vizibilă. Ele sunt emise în timpul decelerației electronilor rapizi în materie (spectru continuu) și în timpul tranzițiilor electronilor de la învelișurile de electroni exterioare ale atomului la cele interioare (spectru liniar). Sursele de radiație de raze X sunt: tubul de raze X, unii izotopi radioactivi, acceleratorii și acumulatorii de electroni (radiația sincrotron). Receptoare - peliculă, ecrane luminiscente, detectoare de radiații nucleare. Razele X sunt utilizate în analiza de difracție a razelor X, medicină, detectarea defectelor, analiza spectrală cu raze X etc.

Având în vedere aspectele pozitive ale descoperirii lui V. Roentgen, este necesar să remarcăm efectul biologic dăunător al acestuia. S-a dovedit că razele X pot provoca ceva de genul unei arsuri solare severe (eritem), însoțită, totuși, de leziuni mai profunde și mai permanente ale pielii. Ulcerele care apar adesea se transformă în cancer. În multe cazuri, degetele sau mâinile au trebuit amputate. Au fost și morți.

S-a constatat că deteriorarea pielii poate fi evitată prin reducerea timpului de expunere și a dozei, folosind ecrane (de exemplu plumb) și telecomenzi. Dar treptat au fost dezvăluite și alte efecte, mai lungi, ale expunerii la raze X, care au fost apoi confirmate și studiate pe animale de experiment. Efectele datorate razelor X și altor radiații ionizante (cum ar fi razele gamma emise de materialele radioactive) includ:

) modificări temporare ale compoziției sângelui după o expunere relativ mică în exces;

) modificări ireversibile ale compoziției sângelui (anemie hemolitică) după expunere excesivă prelungită;

) o creștere a incidenței cancerului (inclusiv leucemie);

) îmbătrânire mai rapidă și moarte timpurie;

) apariţia cataractei.

Impactul biologic al razelor X asupra corpului uman este determinat de nivelul dozei de radiație, precum și de ce organ anume al corpului a fost expus la radiații.

Acumularea de cunoștințe despre efectele radiațiilor cu raze X asupra corpului uman a condus la elaborarea unor standarde naționale și internaționale pentru dozele admisibile de radiații, publicate în diferite publicații de referință.

Pentru a evita efectele nocive ale razelor X, se folosesc metode de control:

) disponibilitatea echipamentului adecvat,

) monitorizarea conformității cu reglementările de siguranță,

) utilizarea corectă a echipamentului.

Lista surselor utilizate

1) Blokhin M.A., Fizica razelor X, ed. a II-a, M., 1957;

) Blokhin M.A., Methods of X-ray spectral studies, M., 1959;

) Raze X. sat. ed. M.A. Blokhin, trad. cu el. şi engleză, M., 1960;

) Kharaja F., Curs general de inginerie cu raze X, ed. a III-a, M. - L., 1966;

) Mirkin L.I., Handbook of X-ray Diffraction analysis of polycrystals, M., 1961;

) Weinstein E.E., Kakhana M.M., Reference tables on X-ray spectroscopy, M., 1953.

) Analiza cu raze X și electron-optică. Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N.: Proc. Alocație pentru universități. - a 4-a ed. Adăuga. Și un relucrător. - M.: „MISiS”, 2002. - 360 p.

Aplicații

Atasamentul 1

Vedere generală a tuburilor cu raze X

Anexa 2

Schema tubului cu raze X pentru analiza structurala

Schema unui tub cu raze X pentru analiza structurala: 1 - sticla anodica metalica (de obicei impamantata); 2 - ferestre din beriliu pentru ieșire cu raze X; 3 - catod termoionic; 4 - bec de sticlă, izolând partea anodică a tubului de catod; 5 - bornele catodice, cărora li se aplică tensiunea filamentului, precum și tensiunea mare (față de anod); 6 - sistem electrostatic de focalizare a electronilor; 7 - anod (anticatod); 8 - conducte de ramificație pentru intrarea și ieșirea apei curente de răcire a sticlei anodului.

Anexa 3

Diagrama Moseley

Diagrama Moseley pentru seriile K, L și M de raze X caracteristice. Abscisa arată numărul de serie al elementului Z, ordonata - ( Cu este viteza luminii).

Anexa 4

Camera de ionizare.

Fig.1. Secțiunea unei camere de ionizare cilindrice: 1 - corp cilindric al camerei, care servește ca electrod negativ; 2 - tija cilindrica care serveste drept electrod pozitiv; 3 - izolatoare.

Orez. 2. Schema de pornire a camerei de ionizare a curentului: V - tensiunea pe electrozii camerei; G este un galvanometru care măsoară curentul de ionizare.

Orez. 3. Caracteristica curent-tensiune a camerei de ionizare.

Orez. 4. Schema de pornire a camerei de ionizare pulsată: C - capacitatea electrodului colector; R este rezistența.

Anexa 5

Contor de scintilații.

Schema unui contor de scintilație: cuante de lumină (fotoni) „knock out” electroni din fotocatod; trecând de la dinod la dinod, avalanșa de electroni se înmulțește.

Anexa 6

Contor Geiger-Muller.

Orez. 1. Schema unui contor Geiger-Muller din sticlă: 1 - tub de sticlă închis ermetic; 2 - catod (un strat subțire de cupru pe un tub de oțel inoxidabil); 3 - ieșirea catodului; 4 - anod (fir întins subțire).

Orez. 2. Schema de pornire a contorului Geiger-Muller.

Orez. 3. Caracteristica de numărare a contorului Geiger-Muller.

Anexa 7

contor proportional.

Schema unui contor proporțional: a - regiunea de derive a electronilor; b - zona de amplificare a gazului.

Anexa 8

Detectoare cu semiconductori

Detectoare cu semiconductori; zona sensibilă se evidențiază prin hașurare; n - regiunea unui semiconductor cu conductivitate electronică, p - cu gaură, i - cu conducție intrinsecă; a - detector de barieră de suprafață cu siliciu; b - detector plan de deriva germaniu-litiu; c - detector coaxial germaniu-litiu.

Radiologia este o secțiune de radiologie care studiază efectele radiațiilor cu raze X asupra organismului animalelor și oamenilor, care decurg din această boală, tratamentul și prevenirea acestora, precum și metodele de diagnosticare a diferitelor patologii folosind raze X (diagnostic cu raze X) . Un aparat obișnuit de diagnosticare cu raze X include o sursă de alimentare (transformatoare), un redresor de înaltă tensiune care transformă curentul alternativ al rețelei electrice în curent continuu, un panou de control, un trepied și un tub cu raze X.

Razele X sunt un tip de oscilații electromagnetice care se formează într-un tub de raze X în timpul unei decelerații bruște a electronilor accelerați în momentul ciocnirii acestora cu atomii substanței anodice. În prezent, punctul de vedere este general acceptat că razele X, prin natura lor fizică, sunt unul dintre tipurile de energie radiantă, al cărei spectru include și unde radio, razele infraroșii, lumina vizibilă, razele ultraviolete și razele gamma de elemente radioactive. Radiația cu raze X poate fi caracterizată ca o colecție a celor mai mici particule ale sale - cuante sau fotoni.

Orez. 1 - aparat mobil cu raze X:

A - tub cu raze X;
B - sursa de alimentare;
B - trepied reglabil.

Orez. 2 - Panou de control al aparatului cu raze X (mecanic - în stânga și electronic - în dreapta):

A - panou pentru reglarea expunerii si duritatii;
B - buton de alimentare de înaltă tensiune.

Orez. 3 este o diagramă bloc a unui aparat cu raze X tipic

1 - retea;
2 - autotransformator;
3 - transformator step-up;
4 - tub cu raze X;
5 - anod;
6 - catod;
7 - transformator coborâtor.

Mecanismul de producere a raze X

Razele X se formează în momentul ciocnirii unui flux de electroni accelerați cu materialul anodic. Când electronii interacționează cu o țintă, 99% din energia lor cinetică este convertită în energie termică și doar 1% în raze X.

Un tub cu raze X constă dintr-un recipient de sticlă în care sunt lipiți 2 electrozi: un catod și un anod. Aerul este pompat din cilindrul de sticlă: mișcarea electronilor de la catod la anod este posibilă numai în condiții de vid relativ (10 -7 -10 -8 mm Hg). Pe catod există un filament, care este un filament de tungsten strâns răsucit. Când un curent electric este aplicat filamentului, are loc o emisie de electroni, în care electronii sunt separați de spirală și formează un nor de electroni lângă catod. Acest nor este concentrat la cupa de focalizare a catodului, care stabilește direcția mișcării electronilor. Cupă - o mică depresiune în catod. Anodul, la rândul său, conține o placă metalică de wolfram pe care sunt concentrați electronii - acesta este locul formării razelor X.

Orez. 4 - Dispozitiv cu tub cu raze X:

A - catod;
B - anod;
B - filament de wolfram;
G - cupa de focalizare a catodului;
D - flux de electroni accelerați;
E - tinta tungsten;
G - balon de sticlă;
З - o fereastră din beriliu;
Și - formate raze X;
K - filtru din aluminiu.

La tubul electronic sunt conectate 2 transformatoare: step-down și step-up. Un transformator coborâtor încălzește filamentul de tungsten cu o tensiune scăzută (5-15 volți), rezultând emisia de electroni. Un transformator crescător sau de înaltă tensiune merge direct la catod și anod, care sunt alimentate cu o tensiune de 20-140 kilovolți. Ambele transformatoare sunt plasate în blocul de înaltă tensiune al mașinii cu raze X, care este umplut cu ulei de transformator, care asigură răcirea transformatoarelor și izolarea fiabilă a acestora.

După ce s-a format un nor de electroni cu ajutorul unui transformator coborâtor, transformatorul crescător este pornit și se aplică o tensiune de înaltă tensiune la ambii poli ai circuitului electric: un impuls pozitiv la anod și unul negativ. puls la catod. Electronii încărcați negativ sunt respinși dintr-un catod încărcat negativ și tind spre un anod încărcat pozitiv - datorită unei astfel de diferențe de potențial, se atinge o viteză mare de mișcare - 100 mii km / s. La această viteză, electronii bombardează placa anodului de tungsten, completând un circuit electric, rezultând raze X și energie termică.

Radiația cu raze X este împărțită în bremsstrahlung și caracteristică. Bremsstrahlung apare din cauza unei decelerari bruște a vitezei electronilor emiși de un filament de wolfram. Radiația caracteristică are loc în momentul rearanjarii învelișurilor de electroni ale atomilor. Ambele tipuri sunt formate într-un tub cu raze X în momentul ciocnirii electronilor accelerați cu atomii materialului anodic. Spectrul de emisie al unui tub de raze X este o suprapunere a bremsstrahlung și a razelor X caracteristice.

Orez. 5 - principiul formării razelor X bremsstrahlung.
Orez. 6 - principiul formării razelor X caracteristice.

Proprietățile de bază ale razelor X

Razele X sunt invizibile pentru percepția vizuală.
Radiația cu raze X are o mare putere de penetrare prin organele și țesuturile unui organism viu, precum și structuri dense de natură neînsuflețită, care nu transmit raze de lumină vizibile.
Razele X fac ca anumiți compuși chimici să strălucească, numiti fluorescență.

Sulfurile de zinc și cadmiu au fluorescentă galben-verde,
Cristale de tungstat de calciu - violet-albastru.

Razele X au un efect fotochimic: descompun compușii de argint cu halogeni și provoacă înnegrirea straturilor fotografice, formând o imagine pe o radiografie.

Razele X își transferă energia către atomii și moleculele mediului prin care trec, manifestând un efect ionizant.

Radiațiile cu raze X au un efect biologic pronunțat în organele și țesuturile iradiate: în doze mici stimulează metabolismul, în doze mari poate duce la dezvoltarea leziunilor radiațiilor, precum și a bolii acute de radiații. Proprietatea biologică permite utilizarea razelor X pentru tratamentul tumorilor și a unor boli non-tumorale.

Scara oscilațiilor electromagnetice

Razele X au o lungime de undă și o frecvență specifice de oscilație. Lungimea de undă (λ) și frecvența de oscilație (ν) sunt legate de relația: λ ν = c, unde c este viteza luminii, rotunjită la 300.000 km pe secundă. Energia razelor X este determinată de formula E = h ν, unde h este constanta lui Planck, o constantă universală egală cu 6,626 10 -34 J⋅s. Lungimea de undă a razelor (λ) este legată de energia lor (E) prin relația: λ = 12,4 / E.

Radiația cu raze X diferă de alte tipuri de oscilații electromagnetice în lungime de undă (vezi tabel) și energie cuantică. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât frecvența, energia și puterea de penetrare sunt mai mari. Lungimea de undă a razelor X este în interval

. Prin modificarea lungimii de undă a radiației X, este posibil să-i controlăm puterea de penetrare. Razele X au o lungime de undă foarte scurtă, dar o frecvență mare de oscilație, deci sunt invizibile pentru ochiul uman. Datorită energiei lor enorme, quantele au o putere mare de penetrare, care este una dintre principalele proprietăți care asigură utilizarea razelor X în medicină și alte științe.

Caracteristicile razelor X

Intensitate- caracteristica cantitativă a radiației cu raze X, care se exprimă prin numărul de raze emise de tub pe unitatea de timp. Intensitatea razelor X se măsoară în miliamperi. Comparând-o cu intensitatea luminii vizibile de la o lampă incandescentă convențională, putem face o analogie: de exemplu, o lampă de 20 de wați va străluci cu o intensitate sau putere, iar o lampă de 200 de wați va străluci cu alta, în timp ce calitatea luminii în sine (spectrul acesteia) este aceeași. Intensitatea radiației cu raze X este, de fapt, cantitatea acesteia. Fiecare electron creează una sau mai multe cuante de radiație pe anod, prin urmare, cantitatea de raze X în timpul expunerii obiectului este reglată prin modificarea numărului de electroni care tind către anod și a numărului de interacțiuni ale electronilor cu atomii țintei de tungsten. , care se poate face în două moduri:

Prin modificarea gradului de incandescență al spiralei catodului folosind un transformator coborâtor (numărul de electroni generați în timpul emisiei va depinde de cât de fierbinte este spirala de wolfram, iar numărul de cuante de radiație va depinde de numărul de electroni);
Prin modificarea valorii tensiunii înalte furnizate de transformatorul step-up polilor tubului - catodul și anodul (cu cât este mai mare tensiunea aplicată la polii tubului, cu atât electronii primesc mai multă energie cinetică, ceea ce , datorită energiei lor, pot interacționa la rândul lor cu mai mulți atomi ai substanței anodice - vezi Fig. orez. 5; electronii cu energie scăzută vor putea intra într-un număr mai mic de interacțiuni).

Intensitatea razelor X (curentul anodului) înmulțită cu expunerea (timpul tubului) corespunde expunerii la raze X, care se măsoară în mAs (miliamperi pe secundă). Expunerea este un parametru care, ca și intensitatea, caracterizează cantitatea de raze emise de un tub cu raze X. Singura diferență este că expunerea ține cont și de timpul de funcționare al tubului (de exemplu, dacă tubul funcționează timp de 0,01 sec, atunci numărul de raze va fi unul, iar dacă 0,02 sec, atunci numărul de raze va fi diferit - de două ori mai mult). Expunerea la radiații este stabilită de radiolog pe panoul de control al aparatului cu raze X, în funcție de tipul de examinare, de dimensiunea obiectului studiat și de sarcina de diagnosticare.

Rigiditate- caracteristica calitativă a radiaţiilor cu raze X. Se măsoară prin tensiunea înaltă de pe tub - în kilovolți. Determină puterea de penetrare a razelor X. Este reglat de tensiunea înaltă furnizată tubului cu raze X de un transformator step-up. Cu cât diferența de potențial este mai mare pe electrozii tubului, cu atât electronii se resping de la catod și se reped spre anod, cu atât mai puternică ciocnirea lor cu anodul. Cu cât ciocnirea lor este mai puternică, cu atât lungimea de undă a radiației X rezultată este mai mică și puterea de penetrare a acestei unde este mai mare (sau duritatea radiației, care, ca și intensitatea, este reglată pe panoul de comandă de parametrul de tensiune de pe tubul - kilovoltaj).

Orez. 7 - Dependența lungimii de undă de energia undei:

λ - lungimea de undă;
E - energia valurilor

Cu cât energia cinetică a electronilor în mișcare este mai mare, cu atât impactul lor asupra anodului este mai puternic și lungimea de undă a radiației X rezultată este mai mică. Radiația de raze X cu o lungime de undă mare și o putere de penetrare scăzută se numește „moale”, cu o lungime de undă scurtă și putere de penetrare mare - „dure”.

Orez. 8 - Raportul dintre tensiunea de pe tubul de raze X și lungimea de undă a radiației de raze X rezultate:

Cu cât tensiunea este mai mare pe polii tubului, cu atât diferența de potențial apare mai puternică pe aceștia, prin urmare, energia cinetică a electronilor în mișcare va fi mai mare. Tensiunea de pe tub determină viteza electronilor și forța de coliziune a acestora cu materialul anodic, prin urmare, tensiunea determină lungimea de undă a radiației X rezultate.

Clasificarea tuburilor cu raze X

Cu programare

Diagnostic
Terapeutic
Pentru analiza structurală
Pentru transiluminare

De proiectare

Prin focalizare

Focalizare unică (o spirală pe catod și un punct focal pe anod)
Bifocal (două spirale de dimensiuni diferite pe catod și două puncte focale pe anod)

După tipul de anod

Staționar (fix)
Rotire

Razele X sunt utilizate nu numai în scopuri de radiodiagnostic, ci și în scopuri terapeutice. După cum sa menționat mai sus, capacitatea radiațiilor X de a suprima creșterea celulelor tumorale face posibilă utilizarea acesteia în terapia cu radiații a bolilor oncologice. Pe lângă domeniul medical de aplicare, radiațiile cu raze X și-au găsit o largă aplicație în domeniul ingineriei și tehnic, știința materialelor, cristalografie, chimie și biochimie: de exemplu, este posibil să se identifice defecte structurale în diverse produse (șine, suduri). , etc.) folosind radiații cu raze X. Tipul de astfel de cercetare se numește defectoscopie. Și în aeroporturi, gări și alte locuri aglomerate, introscoapele de televiziune cu raze X sunt utilizate în mod activ pentru a scana bagajele de mână și bagajele din motive de securitate.

În funcție de tipul de anod, tuburile cu raze X diferă ca design. Datorită faptului că 99% din energia cinetică a electronilor este convertită în energie termică, în timpul funcționării tubului, anodul este încălzit semnificativ - ținta sensibilă de wolfram arde adesea. Anodul este răcit în tuburi moderne de raze X prin rotirea lui. Anodul rotativ are forma unui disc, care distribuie uniform căldura pe toată suprafața sa, prevenind supraîncălzirea locală a țintei de wolfram.

Designul tuburilor cu raze X diferă, de asemenea, ca focalizare. Punct focal - secțiunea anodului pe care este generat fasciculul de raze X de lucru. Este subdivizat în punctul focal real și punctul focal efectiv ( orez. 12). Datorită unghiului anodului, punctul focal efectiv este mai mic decât cel real. Sunt utilizate diferite dimensiuni ale punctelor focale, în funcție de dimensiunea zonei imaginii. Cu cât suprafața imaginii este mai mare, cu atât punctul focal trebuie să fie mai larg pentru a acoperi întreaga zonă a imaginii. Cu toate acestea, un punct focal mai mic produce o claritate mai bună a imaginii. Prin urmare, atunci când se produc imagini mici, se folosește un filament scurt, iar electronii sunt direcționați către o zonă mică a țintei anodului, creând un punct focal mai mic.

Orez. 9 - tub cu raze X cu un anod staționar.
Orez. 10 - Tub cu raze X cu anod rotativ.
Orez. 11 - Dispozitiv cu tub cu raze X cu anod rotativ.
Orez. 12 este o diagramă a formării unui punct focal real și eficient.

Ele sunt emise cu participarea electronilor, spre deosebire de radiația gamma, care este nucleară. Razele X artificiale sunt create prin accelerarea puternică a particulelor încărcate și prin mutarea electronilor de la un nivel de energie la altul, eliberând o cantitate mare de energie. Dispozitivele care pot fi obținute sunt tuburile cu raze X și acceleratoarele de particule. Sursele sale naturale sunt atomi instabili radioactiv și obiecte spațiale.

Istoria descoperirilor

A fost realizată în noiembrie 1895 de Roentgen, un om de știință german care a descoperit efectul de fluorescență al cianurii de bariu platină în timpul funcționării unui tub catodic. El a descris caracteristicile acestor raze în detaliu, inclusiv capacitatea de a pătrunde în țesutul viu. Ele au fost numite raze X de către om de știință, numele „raze X” a prins rădăcini în Rusia mai târziu.

Ceea ce caracterizează acest tip de radiații

Este logic că caracteristicile acestei radiații se datorează naturii sale. O undă electromagnetică este ceea ce sunt razele X. Proprietățile sale sunt următoarele:

Radiații cu raze X - rău

Desigur, la momentul descoperirii și mulți ani după aceea, nimeni nu și-a imaginat cât de periculos era.

În plus, dispozitivele primitive care au produs aceste unde electromagnetice, datorită designului lor neprotejat, au creat doze mari. Adevărat, oamenii de știință au prezentat presupuneri cu privire la pericolul pentru oameni al acestei radiații chiar și atunci. Trecând prin țesuturile vii, razele X au un efect biologic asupra lor. Influența principală este ionizarea atomilor substanțelor care alcătuiesc țesuturile. Acest efect devine cel mai periculos în raport cu ADN-ul unei celule vii. Consecințele expunerii la raze X sunt mutații, tumori, arsuri de radiații și boala de radiații.

Unde se folosesc razele X?

Medicamentul. Diagnosticarea cu raze X - „transmiterea” organismelor vii. Terapia cu raze X - efectul asupra celulelor tumorale.
Știința. Cristalografia, chimia și biochimia le folosesc pentru a dezvălui structura materiei.
Industrie. Detectarea defectelor la piesele metalice.
Siguranță. Echipamentele cu raze X sunt folosite pentru a detecta articolele periculoase din bagaje în aeroporturi și în alte locuri.

Avertizare /var/www/x-raydoctor.php pe net 1364

Avertizare: preg_match(): Compilarea a eșuat: interval nevalid în clasa de caractere la offset 4 in /var/www/x-raydoctor.php pe net 1364

Avertizare /var/www/x-raydoctor.php pe net 684

Avertizare /var/www/x-raydoctor.php pe net 691

Avertizare: preg_match_all(): Compilarea a eșuat: interval nevalid în clasa de caractere la offset 4 în /var/www/x-raydoctor.php pe net 684

Avertizare: Argument nevalid furnizat pentru foreach() în /var/www/x-raydoctor.php pe net 691

Radiațiile cu raze X joacă un rol imens în medicina modernă; istoria descoperirii razelor X datează din secolul al XIX-lea.

Razele X sunt unde electromagnetice care se formează cu participarea electronilor. Cu o accelerare puternică a particulelor încărcate, sunt create raze X artificiale. Trece prin echipamente speciale:

acceleratori de particule.

Istoria descoperirilor

Aceste raze au fost inventate în 1895 de omul de știință german Roentgen: în timp ce lucra cu un tub catodic, el a descoperit efectul de fluorescență al cianurii de bariu platină. Apoi a fost o descriere a unor astfel de raze și a capacității lor uimitoare de a pătrunde în țesuturile corpului. Razele au început să fie numite raze X (raze X). Mai târziu, în Rusia, au început să fie numite cu raze X.

Razele X sunt capabile să pătrundă chiar și prin pereți. Așa că Roentgen și-a dat seama că a făcut cea mai mare descoperire în domeniul medicinei. Din acel moment au început să se formeze secțiuni separate în știință, cum ar fi radiologia și radiologia.

Razele sunt capabile să pătrundă în țesuturile moi, dar sunt întârziate, lungimea lor este determinată de obstacolul unei suprafețe dure. Țesuturile moi din corpul uman sunt pielea, iar țesuturile dure sunt oasele. În 1901, omul de știință a primit Premiul Nobel.

Cu toate acestea, chiar înainte de descoperirea lui Wilhelm Conrad Roentgen, alți oameni de știință au fost, de asemenea, interesați de un subiect similar. În 1853, fizicianul francez Antoine-Philiber Mason a studiat o descărcare de înaltă tensiune între electrozi dintr-un tub de sticlă. Gazul conținut în el la presiune scăzută a început să emită o strălucire roșiatică. Pomparea excesului de gaz din tub a dus la descompunerea strălucirii într-o secvență complexă de straturi luminoase individuale, a căror nuanță depindea de cantitatea de gaz.

În 1878, William Crookes (fizician englez) a sugerat că fluorescența are loc datorită impactului razelor asupra suprafeței de sticlă a tubului. Dar toate aceste studii nu au fost publicate nicăieri, așa că Roentgen nu știa despre astfel de descoperiri. După publicarea descoperirilor sale în 1895 într-un jurnal științific, unde omul de știință a scris că toate corpurile sunt transparente la aceste raze, deși într-o măsură foarte diferită, alți oameni de știință au devenit interesați de experimente similare. Ei au confirmat invenția lui Roentgen și a început dezvoltarea și îmbunătățirea ulterioară a razelor X.

Wilhelm Roentgen însuși a publicat încă două lucrări științifice pe tema razelor X în 1896 și 1897, după care a început și alte activități. Astfel, mai mulți oameni de știință au inventat, dar Roentgen a fost cel care a publicat lucrări științifice pe acest subiect.

Principii imagistice

Caracteristicile acestei radiații sunt determinate de însăși natura aspectului lor. Radiația apare din cauza unei unde electromagnetice. Principalele sale proprietăți includ:

Reflecţie. Dacă unda lovește suprafața perpendicular, nu va fi reflectată. În unele situații, un diamant are proprietatea de a reflecta.
Capacitatea de a pătrunde în țesut. În plus, razele pot trece prin suprafețe opace ale materialelor precum lemn, hârtie și altele asemenea.
absorbanta. Absorbția depinde de densitatea materialului: cu cât este mai dens, cu atât mai multe razele X îl absorb.
Unele substanțe fluoresc, adică strălucesc. Imediat ce radiația se oprește, și strălucirea dispare. Dacă continuă după încetarea acțiunii razelor, atunci acest efect se numește fosforescență.
Razele X pot ilumina filmul fotografic, la fel ca lumina vizibilă.
Dacă fasciculul a trecut prin aer, atunci are loc ionizarea în atmosferă. Această stare se numește conductivă electric și este determinată folosind un dozimetru, care stabilește rata de dozare a radiațiilor.

Radiația - rău și beneficiu

Când a fost făcută descoperirea, fizicianul Roentgen nici nu și-a putut imagina cât de periculoasă era invenția sa. Pe vremuri, toate dispozitivele care produceau radiații erau departe de a fi perfecte și, ca urmare, se obțineau doze mari de raze emise. Oamenii nu au înțeles pericolele unor astfel de radiații. Deși unii oameni de știință chiar și atunci au prezentat versiuni despre pericolele razelor X.

Razele X, care pătrund în țesuturi, au un efect biologic asupra acestora. Unitatea de măsură a dozei de radiație este roentgen pe oră. Influența principală este asupra atomilor ionizanți care se află în interiorul țesuturilor. Aceste raze acționează direct asupra structurii ADN-ului unei celule vii. Consecințele radiațiilor necontrolate includ:

mutație celulară;
apariția tumorilor;
arsuri prin radiații;
boala de radiatii.

Contraindicații pentru examinarea cu raze X:

Pacienții sunt în stare critică.
Perioada de sarcină din cauza efectelor negative asupra fătului.
Pacienți cu sângerare sau pneumotorax deschis.

Cum funcționează razele X și unde sunt utilizate

În medicină. Diagnosticarea cu raze X este utilizată pentru țesuturile vii translucide pentru a identifica anumite tulburări din organism. Terapia cu raze X se efectuează pentru a elimina formațiunile tumorale.
În știință. Sunt dezvăluite structura substanțelor și natura razelor X. Aceste probleme sunt tratate de științe precum chimia, biochimia, cristalografia.
În industrie. Pentru a detecta încălcări în produsele metalice.
Pentru siguranța populației. Fazele de raze X sunt instalate în aeroporturi și în alte locuri publice pentru a scana bagajele.

Utilizarea medicală a radiațiilor cu raze X. Razele X sunt utilizate pe scară largă în medicină și stomatologie în următoarele scopuri:

Pentru diagnosticarea bolilor.
Pentru monitorizarea proceselor metabolice.
Pentru tratarea multor boli.

Utilizarea razelor X în scopuri medicale

Pe lângă detectarea fracturilor osoase, razele X sunt utilizate pe scară largă în scopuri medicale. Aplicarea specializată a razelor X este de a atinge următoarele obiective:

Pentru a distruge celulele canceroase.
Pentru a reduce dimensiunea tumorii.
Pentru a reduce durerea.

De exemplu, iodul radioactiv, folosit în bolile endocrinologice, este utilizat în mod activ în cancerul tiroidian, ajutând astfel mulți oameni să scape de această boală teribilă. În prezent, pentru a diagnostica boli complexe, razele X sunt conectate la computere, drept urmare, apar cele mai noi metode de cercetare, precum tomografia axială computerizată.

O astfel de scanare oferă medicilor imagini color care arată organele interne ale unei persoane. Pentru a detecta activitatea organelor interne, este suficientă o doză mică de radiații. Razele X sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în fizioterapie.

Proprietățile de bază ale razelor X

capacitate de penetrare. Toate corpurile sunt transparente la radiografie, iar gradul de transparență depinde de grosimea corpului. Datorită acestei proprietăți, fasciculul a început să fie folosit în medicină pentru a detecta funcționarea organelor, prezența fracturilor și a corpurilor străine în organism.
Ele sunt capabile să provoace strălucirea unor obiecte. De exemplu, dacă bariu și platină sunt aplicate pe carton, atunci, după ce a trecut prin scanarea fasciculului, acesta va străluci galben-verzui. Dacă vă plasați mâna între tubul cu raze X și ecran, atunci lumina va pătrunde mai mult în os decât în țesut, astfel încât țesutul osos va fi evidențiat cel mai puternic pe ecran, iar țesutul muscular va fi mai puțin luminos. .
Acțiune pe film. Razele X pot, la fel ca lumina, să întunece filmul, ceea ce face posibilă fotografiarea părții umbrite care se obține atunci când obiectele sunt examinate cu raze X.
Razele X pot ioniza gazele. Acest lucru face posibilă nu numai găsirea razelor, ci și dezvăluirea intensității acestora prin măsurarea curentului de ionizare din gaz.
Au un efect biochimic asupra organismului ființelor vii. Datorită acestei proprietăți, razele X și-au găsit aplicația largă în medicină: pot trata atât bolile de piele, cât și bolile organelor interne. În acest caz, se selectează doza dorită de radiație și durata razelor. Utilizarea prelungită și excesivă a unui astfel de tratament este foarte dăunătoare și dăunătoare organismului.

Consecința utilizării razelor X a fost salvarea multor vieți umane. Raze X ajută nu numai la diagnosticarea bolii în timp util, metodele de tratament care utilizează radioterapie scutesc pacienții de diferite patologii, de la hiperfuncția glandei tiroide la tumorile maligne ale țesuturilor osoase.

Natura și proprietățile razelor X

Tipuri de radiații cu raze X. Bremsstrahlung

Cum sunt produse razele X caracteristice

Vedere generală a spectrului caracteristic

legea lui Moseley

Rolul legii lui Moseley în fizica atomică

Structura învelișurilor de electroni ale atomului

Mecanismul de generare a razelor X caracteristice

Structura fină a spectrelor caracteristice

Utilizarea razelor X în spectrometrie

Introducere

Capitolul 1

1.1 Biografia lui Roentgen Wilhelm Conrad

1.2 Descoperirea razelor X

capitolul 2

2.1 Surse de raze X

2.2 Proprietățile razelor X

2.3 Înregistrarea razelor X

2.4 Utilizarea razelor X

capitolul 3

3.1 Analiza imperfecțiunilor structurii cristaline

3.2 Analiza spectrului

Concluzie

Lista surselor utilizate

Aplicații

Mecanismul de producere a raze X

Proprietățile de bază ale razelor X

Scara oscilațiilor electromagnetice

Caracteristicile razelor X

Clasificarea tuburilor cu raze X

Istoria descoperirilor

Principii imagistice

Radiația - rău și beneficiu

Cum funcționează razele X și unde sunt utilizate

Utilizarea razelor X în scopuri medicale

Proprietățile de bază ale razelor X

Cititi si