характеристик рентгеновского излучения — WikiLectures

Спасибо за ваши Коментарии.

Спасибо за просмотр этой статьи.

Ваш отзыв не был вставлен (допускается один отзыв на статью в день)!

Рентгеновские лучи — это форма электромагнитного излучения. Они относятся к коротковолновой и высокочастотной части электромагнитного спектра, между гамма и ультрафиолетовым излучением.Они имеют длины волн в диапазоне от 10 ^-8 м до 10 ^-11 м (10–0,01 нм). Их частотный диапазон составляет от 3×10 ¹⁶ Гц до 3×10 ¹⁹ Гц.

Рентгеновское излучение может быть получено несколькими способами: движением электронов в атомах или преобразованием кинетической энергии в тормозное излучение. Рентгеновские лучи образуются, когда частицы с высокой энергией (например, электроны, протоны или более тяжелые ионы) или фотоны ударяются о поверхность твердого материала (например, металла).

Когда фотон сталкивается с другим атомом, атом может поглотить энергию фотона, заставляя электрон перейти на более высокий энергетический уровень. Это может произойти только в том случае, если уровень энергии фотона соответствует разнице энергий между двумя электронными уровнями. Затем электрон возвращается к своему исходному уровню энергии, высвобождая дополнительную энергию в виде светового фотона.

Когда быстрые электроны, протоны или более тяжелые ионы сталкиваются с атомами твердого материала, они замедляются или полностью останавливаются.Это когда их кинетическая энергия преобразуется в тормозное излучение. Тормозное излучение имеет широкий диапазон длин волн рентгеновского излучения, и в спектре вы также можете найти характерные рентгеновские лучи, которые связаны с атомами используемого материала.

Мягкие ткани нашего тела состоят из атомов, которые плохо поглощают рентгеновские фотоны, потому что их уровни энергии не соответствуют энергии фотонов. Однако костная ткань довольно хорошо поглощает те же самые фотоны из-за атомов кальция, которые имеют более высокие энергетические уровни между своими атомами, которые соответствуют энергии фотонов.В заполненных воздухом органах практически нет поглощения (из-за воздуха), и фотоны легко проходят сквозь них, отсюда четкие границы.

Существует два типа рентгеновских лучей в зависимости от их энергии фотонов. Энергия фотона определяется формулой E = hν, где E — энергия в джоулях, h — постоянная Планка, а ν — частота фотона. Частоту фотона (ν) также можно получить из уравнения c = λν, где c — скорость света (~ 3,0 * 10 ⁸ м / с), а λ — длина волны фотона.Поскольку постоянная Планка мала (~ 6,62 * 10 ^-34 Джоуль-секунд), обычно удобнее работать в электрон-вольтах (эВ), где один эВ равен примерно 1,602 * 10 ^-19 Джоуль. Например, фотоны видимого света с длиной волны от 700 до 400 нм имеют энергию от 1,77 эВ до 3,1 эВ соответственно.

Мягкие рентгеновские лучи [редактировать | править источник]

Эти рентгеновские лучи имеют энергию фотонов ниже 10 кэВ. У них меньше энергии, чем у жесткого рентгеновского излучения, поэтому они имеют большую длину волны.Мягкие рентгеновские лучи используются в рентгенографии для получения изображений костей и внутренних органов. Из-за своей более низкой энергии они не причиняют большого вреда тканям, если только не повторяются слишком часто.

Жесткие рентгеновские лучи [редактировать | править источник]

Жесткое рентгеновское излучение имеет энергию фотонов выше 10 кэВ. У них более короткая длина волны, чем у мягких рентгеновских лучей. Эти рентгеновские лучи используются в лучевой терапии, лечении рака. Из-за своей более высокой энергии они разрушают молекулы в определенных клетках, разрушая таким образом ткани.Еще одно применение этих рентгеновских лучей — это сканеры безопасности в аэропортах для проверки багажа.

Рентгеновские лучи были обнаружены 8 ноября 1895 года, когда Вильгельм Конрад Рентген работал с электронно-лучевой трубкой в ​​своей лаборатории. Рентгеновские лучи для медицинских диагностических процедур производятся в рентгеновской трубке.

[редактировать | править источник]

Сама трубка вакуумированная и содержит два электрода:

Катод : нагретая нить накала действует как катод (отрицательный), с которого эмитируются электроны

Анод : анод (положительный) изготовлен из тяжелого металла, обычно вольфрама.

Внешний источник питания создает напряжение до 200 кВ между двумя электродами. Это ускоряет электроны через зазор между катодом и анодом. Кинетическая энергия электрона, попадающего на анод, составляет около 200 кВ. Когда электроны ударяются об анод с высокой скоростью, часть их кинетической энергии преобразуется в рентгеновские фотоны, которые выходят во всех направлениях.

Лишь небольшая часть кинетической энергии электронов преобразуется в рентгеновские лучи. Остальная энергия передается аноду в виде тепловой энергии.В некоторых рентгеновских трубках через анод циркулирует вода для удаления этого излишка тепла.

Рентгеновские лучи, выходящие из рентгеновской трубки, имеют диапазон энергий, представленных в рентгеновском спектре. Этот спектр состоит из двух компонентов: тормозного излучения и характеристического рентгеновского излучения. Они возникают по-разному и связаны с тем, как отдельный электрон теряет свою энергию при столкновении с анодом.

Когда электрон, падающий на анод, теряет свою энергию и взаимодействует с электрическими полями ядра анода, это может привести к появлению одного рентгеновского фотона или нескольких фотонов.Все это способствует тормозному излучению.

Электрон может вызвать перестройку электронов в анодном атоме, при которой электрон падает с высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. При этом он излучает фотон с определенной частотой. Это способствует формированию характерных рентгеновских лучей, характерных для анода (если анод изготовлен из меди, а не из вольфрама, характеристическое рентгеновское излучение будет другим).

Статьи по теме [править | править источник]

Внешние ссылки [править | править источник]

Библиография [править | править источник]

рентгеновских лучей | ARPANSA

Как и все формы ионизирующего излучения, рентгеновские лучи производят электроны и ионы, когда они проходят через материалы.

Рентгеновский луч — это пакет электромагнитной энергии (фотон), исходящий из электронного облака атома. Обычно это вызвано изменениями энергии электрона, который перемещается с более высокого уровня энергии на более низкий, вызывая высвобождение избыточной энергии. Рентгеновские лучи похожи на гамма-лучи, однако основное отличие заключается в том, как они производятся. Рентгеновские лучи производятся электронами, находящимися вне ядра. Традиционно рентгеновские лучи имели более длинные волны и меньшую энергию, чем гамма-лучи, но это устарело с современными методами получения рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи — это форма электромагнитного излучения, похожая на радиоволны, микроволны, видимый свет и гамма-лучи. Рентгеновские фотоны обладают высокой энергией и обладают достаточной энергией, чтобы расщеплять молекулы и, следовательно, повреждать живые клетки. Когда рентгеновские лучи попадают в материал, одни поглощаются, а другие проходят. Как правило, чем выше энергия, тем больше рентгеновских лучей проходит (таблица 1). Именно эта проникающая способность позволяет нам делать внутренние образы человеческого тела или предметов. Рентгеновские лучи не могут управляться электрическими и магнитными полями, такими как альфа, бета или другие заряженные частицы.

Стол 1

Рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью и взаимодействуют с веществом посредством ионизации через три процесса: фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние или образование пар.Из-за их высокой проникающей способности воздействие рентгеновских лучей может происходить по всему телу, однако они менее ионизируют, чем альфа-частицы. Рентгеновские лучи считаются внешней опасностью с точки зрения радиационной защиты.

Подобно любому воздействию ионизирующего излучения, высокие дозы могут вызывать прямые острые эффекты в результате немедленного повреждения клеток. Низкие уровни воздействия несут стохастический риск для здоровья, при котором вероятность индукции рака увеличивается с увеличением воздействия.

Ключевое различие между гамма-лучами и рентгеновскими лучами заключается в том, как они производятся.Гамма-лучи возникают в процессе осаждения возбужденного ядра радионуклида после того, как оно подвергается радиоактивному распаду, тогда как рентгеновские лучи образуются, когда электроны поражают цель или когда электроны перестраиваются внутри атома.

Рентгеновские лучи обычно производятся в рентгеновских трубках путем ускорения электронов через разность потенциалов (падение напряжения) и направления их на материал мишени (например, вольфрам).

Поступающие электроны испускают рентгеновские лучи, когда они замедляются в цели (тормозное излучение или тормозное излучение).Рентгеновские фотоны, произведенные таким образом, имеют энергию от почти нуля до энергии электронов. Входящий электрон может также столкнуться с атомом в мишени, выбив электрон и оставив вакансию в одной из электронных оболочек атома. Другой электрон может заполнить вакансию и при этом испустить рентгеновский фотон определенной энергии (характеристическое рентгеновское излучение). Рентгеновский спектр, показанный на картинке, представляет собой график зависимости количества фотонов от энергии фотона.

Сканер компьютерной томографии (КТ) — это особый тип рентгеновского аппарата, в котором рентгеновская трубка создает луч в форме веера и перемещается вокруг пациента по кругу.Рентгеновские лучи регистрируются электронным способом, и компьютер использует эту информацию для восстановления изображения области обнаженного тела.

Рентгеновское излучение может также производиться синхротроном. Синхротрон — это устройство, которое ускоряет электроны в вакуумированном кольце (часто несколько десятков метров в диаметре), управляя ими с помощью магнитов. Управляя электронным пучком контролируемым образом с помощью магнитов, можно получить интенсивные пучки рентгеновских лучей. Установки синхротрона используются в исследовательских целях.

Рентгеновские лучи широко используются в медицинских, промышленных и исследовательских целях.Диагностические медицинские рентгеновские лучи — это наиболее вероятный способ обнаружить рентгеновские лучи. Данные Комиссии по страхованию здоровья показывают, что каждый год в рамках программы Medicare поступает более 12 миллионов заявлений на обследования на рентгеновских аппаратах, а также более 2 миллионов заявлений на обследования с помощью компьютерной томографии (КТ). Лучевая терапия — еще один пример медицинского использования рентгеновских лучей для лечения рака.

В среднем каждый австралиец получает эффективную дозу около 1,7 мЗв в год от медицинских процедур, включая около 1,1 мЗв при компьютерной томографии.Это похоже на дозу, которую каждый получает от фонового излучения, которое есть и всегда было в нашей окружающей среде.

Использование рентгеновских лучей в промышленных и исследовательских целях включает рентгеновскую кристаллографию и рентгеноскопию, которые обычно используются для контроля качества материалов (т. Е. Качества металла) и исследования свойств материалов. Промышленная радиография может использовать рентгеновские или гамма-источники для анализа, чтобы искать трещины в зданиях, конструкциях или сосудах под давлением.

Рентгеновские лучи также используются в процессах безопасности при досмотре багажа / контейнеров в аэропортах и ​​портах.

Ускоряющее напряжение и материал мишени, используемый для получения рентгеновских лучей, различаются в зависимости от конкретного применения (таблица 2).

Стол 2

Как и для всех типов излучения, принципами защиты являются время, расстояние и экранирование.

Диагностический рентген должен быть выполнен для получения информации, которая поможет медицинскому персоналу надлежащим образом лечить состояние пациента. В общем, эта информация гораздо более важна для здоровья человека, чем небольшой расчетный риск (обычно менее 0,01%) вероятности развития рака в результате процедуры. Поскольку свинец является очень хорошим аттенюатором рентгеновских лучей (см. Таблицу 1), одежду, пропитанную небольшим количеством свинца, можно использовать для прикрытия чувствительных частей тела. Современное рентгеновское оборудование имеет множество функций, которые при правильном использовании могут ограничить облучаемую область и дозу до минимума, необходимого для получения диагностической информации.В некоторых случаях альтернативный тип визуализации (ультразвуковая или магнитно-резонансная томография) может предоставить искомую информацию и поэтому может использоваться вместо рентгеновского снимка.

Характеристический рентгеновский снимок — обзор

Характеристический рентгеновский эмиссионный спектр

Характерный рентгеновский эмиссионный спектр состоит из спектральных серий (K, L, M, N…), линии которых имеют общее начальное состояние с вакансией в внутренний уровень. Метки основных рентгеновских переходов показаны на рисунке 2.Все электронные уровни с главным квантовым числом n , равным 1, 2, 3, 4 и т. Д., Называются уровнями K, L, M, N и т. Д. И обозначаются соответствующими греческими буквами и цифровыми индексами. Электронные переходы, удовлетворяющие правилам дипольного отбора

Рис. 2. Схема наиболее важных рентгеновских эмиссионных переходов; n , I и j — соответственно главное, орбитальное и полное квантовые числа уровней K, L ₁ , L ₂ , L ₃ и т. Д.

[1] Δl = 1; Δj = 0,1j = ± 12; Δn ≠ 0

являются наиболее интенсивными. Зависимость энергии рентгеновских эмиссионных линий от атомного номера Z определяется законом Мозли:

[2] hν∼Z − σ2

, где Z — атомный номер, а σ — постоянная экранирования, которая изменяется от серии к серии. Следовательно, любая спектральная линия рентгеновского излучения является отпечатком элемента.

При возбуждении рентгеновским излучением бомбардировкой электронами (первичная эмиссия) все эмиссионные линии серии i появляются, когда напряжение на рентгеновской трубке U превышает потенциал ионизации уровня i ( В _i ).При более высоком U интенсивность всех линий i -й серии, I _i увеличивается, поскольку электроны проникают глубже в вещество мишени и, следовательно, увеличивается количество возбужденных атомов в мишени. . В области V _i < U <3 V _i интенсивность подчиняется правилу I _i ∼ ( U — V _i ) ² .При дальнейшем увеличении U рентгеновское излучение начинает поглощаться атомами мишени; следовательно, увеличение I _i уменьшается. При U ≥11 В _i , I _i уменьшается, потому что теперь большинство возбужденных атомов находятся настолько глубоко в мишени, что их испускаемое излучение поглощается веществом мишени.

Спектры рентгеновского излучения обычно возбуждаются рентгеновскими фотонами, потому что большинство химических соединений разлагаются при бомбардировке электронами.При возбуждении рентгеновских эмиссионных спектров фотонами [вторичная эмиссия или флуоресценция (XFS)] интенсивность флуоресцентной линии зависит от энергии возбуждающих фотонов h ν и I _i = 0, если h ν < В _i . Все линии серии i появляются, если h ν = V _i ; однако I _i мало уменьшается при дальнейшем увеличении h ν.Следовательно, для возбуждения рентгеновской флуоресценции необходимо использовать мишень, содержащую вещество с интенсивными характеристическими рентгеновскими линиями, энергия которых чуть превышает эВ _i . Используя непрерывное излучение рентгеновской трубки с мишенью, состоящей в основном из тяжелых элементов, можно возбудить рентгеновскую флуоресценцию.

Интенсивность характерного рентгеновского спектра (как первичного, так и флуоресцентного) зависит от вероятности p _r радиационного перехода в атоме, имеющем вакансию на уровне –.Значение p _r определяется полной вероятностью испускания фотона при заполнении этой вакансии внешними электронами. Однако с вероятностью p _A вакансия может быть заполнена внешними электронами без излучения в результате оже-эффекта (см. Рис. 1). Для средних и тяжелых элементов серии K p _r > p _A , для легких элементов p _r < p _A .Для всех остальных серий любые элементы p _r << p _A . Отношение f = p _r / ( p _r + p _A ) называется выходом характеристического излучения.

Однако характерные рентгеновские линии появляются из-за ионизации одного атома; в рентгеновских эмиссионных спектрах обнаруживается, что более слабые линии возникают в результате бинарной (или множественной) ионизации атомов, когда две (или более) вакансии образуются одновременно в разных электронных оболочках.Если, например, одна вакансия образуется в K-оболочке атомов и заполняется электронами, принадлежащими оболочке L _2,3 , атомы испускают дублет Ê α _1,2 . Если одновременно образуется другая вакансия, которая также заполняется электронами из оболочки L _2,3 , то конечное состояние будет иметь бинарную ионизацию L _2,3 L _2,3 и будет соответствовать излучению излучения с энергией, превышающей энергию дублета Ê α _1,2 .В результате в спектре рентгеновского излучения появится коротковолновый дублет Ê α _3,4 , называемый сателлитом основного дублета Ê α _1,2 . Из-за таких процессов многократной ионизации рентгеновского излучения в спектрах может быть большое количество сателлитов основных линий. Обычно интенсивность спутников на несколько порядков меньше, чем у основных линий. Однако, если атомы мишени бомбардируются тяжелыми ионами с большой энергией, вероятность многократной ионизации атомов становится выше, чем вероятность однократной ионизации.Следовательно, в этом случае интенсивность основных эмиссионных линий существенно меньше, чем у спутников.

Основы физики рентгеновских лучей — Производство рентгеновских лучей

Ключевые моменты

• Рентгеновские лучи образуются при взаимодействии ускоренных электронов с ядрами вольфрама внутри анода трубки
• Генерируются два типа излучения: характеристическое излучение и тормозное излучение (тормозное) излучение
• Изменение настроек тока или напряжения рентгеновского аппарата изменяет свойства рентгеновского луча

Рентгеновские лучи производятся внутри рентгеновского аппарата, также известного как рентгеновская трубка.Никаких внешних радиоактивных материалов не задействовано.

Рентгенологи могут изменять настройки тока и напряжения на рентгеновском аппарате, чтобы управлять свойствами создаваемого рентгеновского луча. На разные части тела наносятся разные спектры рентгеновского пучка.

Рентгеновская трубка

Наведите / выключите изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Нажмите на изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Щелкните изображение, чтобы выровнять его с верхней частью страницы

Рентгеновская трубка

• Небольшое увеличение напряжения накала ( 1 ) приводит к значительному увеличению тока трубки ( 2 ), что ускоряет высокоскоростные электроны от очень высокотемпературного отрицательного катода накала ( 3 ) в вакууме в направлении положительный вольфрамовый анод-мишень ( 4 ).Этот анод вращается для рассеивания выделяемого тепла. Рентгеновские лучи генерируются внутри вольфрамового анода, а рентгеновский луч ( 5 ) направлен на пациента.

Рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия ускоренных электронов с электронами ядер вольфрама внутри анода трубки. Существует два типа генерируемого рентгеновского излучения: характеристическое излучение и тормозное излучение.

Характерное генерирование рентгеновского излучения

Наведите / выключите изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Нажмите на изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Щелкните изображение, чтобы выровнять его с верхней частью страницы

Характерное генерирование рентгеновского излучения

• Когда электрон высокой энергии ( 1 ) сталкивается с электроном внутренней оболочки ( 2 ), оба выбрасываются из атома вольфрама, оставляя «дыру» во внутреннем слое.Он заполняется электроном внешней оболочки ( 3 ) с потерей энергии, излучаемой как рентгеновский фотон ( 4 ).

Генерация тормозного излучения / тормозного рентгеновского излучения

Наведите / выключите изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Нажмите на изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Щелкните изображение, чтобы выровнять его с верхом страницы

Тормозное излучение / Торможение X -лучение поколения

• Когда электрон проходит рядом с ядром, он замедляется, и его путь отклоняется. Потерянная энергия испускается в виде тормозного рентгеновского фотона.
• Тормозное излучение = тормозное излучение
• Примерно 80% рентгеновского излучения в рентгеновском луче составляют рентгеновские лучи, генерируемые таким образом.

Спектр рентгеновского излучения

Наведите / выключите изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Нажмите на изображение, чтобы показать / скрыть результаты

Щелкните изображение, чтобы выровнять его с верхней частью страницы

Спектр рентгеновского излучения

• В результате генерации характеристического и тормозного излучения в рентгеновском пучке создается спектр энергии рентгеновского излучения.
• Этим спектром можно управлять, изменяя настройки тока или напряжения рентгеновской трубки или добавляя фильтры для выделения низкоэнергетических рентгеновских лучей. Таким образом, рентгенологи могут применять разные спектры рентгеновских лучей к разным частям тела.

X-лучи: атомное происхождение и приложения

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите рентгеновскую трубку и ее спектр.
• Покажите характеристическую энергию рентгеновского излучения.
• Укажите использование рентгеновских лучей в медицинских наблюдениях.
• Объясните использование рентгеновских лучей в компьютерных томографах в диагностике.

Каждый тип атома (или элемента) имеет свой собственный характерный электромагнитный спектр. Рентгеновские лучи лежат на высокочастотном конце спектра атома и также характерны для самого атома. В этом разделе мы исследуем характерные рентгеновские лучи и некоторые из их важных приложений.

Ранее мы обсуждали рентгеновские лучи как часть электромагнитного спектра в энергиях фотонов и электромагнитном спектре.Этот модуль продемонстрировал, как рентгеновская трубка (специализированная ЭЛТ) производит рентгеновские лучи. Электроны, испускаемые горячей нитью накала, ускоряются высоким напряжением, приобретают значительную кинетическую энергию и ударяются об анод.

Рис. 1. Спектр рентгеновского излучения, полученный при ударе энергичных электронов о материал, например, в аноде ЭЛТ. Гладкая часть спектра — это тормозное излучение, а пики характерны для материала анода. Другой материал анода будет иметь характерные рентгеновские пики на разных частотах.

Рентгеновское излучение на аноде рентгеновской трубки производится двумя способами. В одном процессе замедление электронов производит рентгеновские лучи, и эти рентгеновские лучи называются тормозным излучением , или тормозным излучением. Второй процесс является атомарным по природе и дает характеристических рентгеновских лучей , названных так потому, что они характерны для материала анода. Спектр рентгеновского излучения на рисунке 1 типичен для рентгеновской трубки, демонстрируя широкую кривую тормозного излучения с характерными рентгеновскими пиками на ней.

Спектр на Рисунке 1 собран за период времени, в течение которого много электронов ударяется об анод, с множеством возможных результатов для каждого удара. Широкий диапазон энергий рентгеновского излучения тормозного излучения указывает на то, что энергия падающего электрона обычно не полностью преобразуется в энергию фотона. Полученный рентгеновский луч с самой высокой энергией — это тот, для которого вся энергия электрона была преобразована в энергию фотона. Таким образом, ускоряющее напряжение и максимальная энергия рентгеновского излучения связаны сохранением энергии.Электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а затем в энергию фотонов, так что E _max = hf _max = q _e V . Единицы электрон-вольт удобны. Например, ускоряющее напряжение 100 кВ производит рентгеновские фотоны с максимальной энергией 100 кэВ.

Некоторые электроны возбуждают атомы в аноде. Часть энергии, которую они выделяют при столкновении с атомом, приводит к тому, что один или несколько внутренних электронов атома выбиваются на более высокую орбиту или атом ионизируется.Когда атомы анода высвобождаются, они испускают характерное электромагнитное излучение. Наиболее энергичные из них возникают при заполнении вакансии внутренней оболочки, то есть, когда электрон оболочки n = 1 или n = 2 был возбужден на более высокий уровень, а другой электрон попадает в вакантное место. Характеристический рентгеновский луч (см. Энергии фотонов и электромагнитный спектр) — это электромагнитное (ЭМ) излучение, испускаемое атомом при заполнении вакансии во внутренней оболочке.На рисунке 2 показана типичная диаграмма уровней энергии, которая иллюстрирует маркировку характеристических рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, создаваемые, когда электрон попадает в вакансию оболочки n = 1, называются K _α , когда они приходят со следующего более высокого уровня; то есть переход с n = 2 на n = 1. Метки K, L, M,… происходят от более старых буквенных обозначений оболочек, начинающихся с K , а не с использованием основных квантовых чисел 1, 2, 3,….Более энергичный рентгеновский луч K _β образуется, когда электрон падает в вакансию оболочки n = 1 из оболочки n = 3; то есть переход с n = 3 на n = 1. Точно так же, когда электрон падает в оболочку n = 2 из оболочки n = 3, создается рентгеновский луч L _α . Энергии этих рентгеновских лучей зависят от энергий электронных состояний в конкретном атоме и, таким образом, характерны для этого элемента: каждый элемент имеет свой собственный набор энергий рентгеновского излучения.Это свойство можно использовать для идентификации элементов, например, чтобы найти следовые (небольшие) количества элемента в экологическом или биологическом образце.

Рис. 2. Характерный рентгеновский луч излучается, когда электрон заполняет вакансию во внутренней оболочке, как показано для нескольких переходов на этой приблизительной диаграмме энергетических уровней многоэлектронного атома. Характерные рентгеновские лучи маркируются в соответствии с оболочкой, в которой была вакансия, и оболочкой, из которой вышел электрон. Kα-рентгеновское излучение, например, возникает, когда электрон, выходящий из оболочки с n = 2, заполняет вакансию оболочки с n = 1.

Пример 1. Характеристическая энергия рентгеновского излучения

Рассчитайте приблизительную энергию K _α рентгеновского излучения от вольфрамового анода в рентгеновской трубке.

Стратегия

Как рассчитать энергии в многоэлектронном атоме? В случае характеристических рентгеновских лучей целесообразен следующий приблизительный расчет. Характерные рентгеновские лучи образуются при заполнении вакансии во внутренней оболочке. Электроны внутренней оболочки находятся ближе к ядру, чем другие в атоме, и поэтому не ощущают чистого воздействия со стороны других.2} E_0 \ left (n = 1,2,3, \ dots \ right) \\ [/ latex].

Как уже отмечалось, рентгеновский луч K _α создается переходом от n = 2 до n = 1. 2} E_0 \ left (n = 1,2,3, \ dots \ right) \\ [/ latex] дает орбитальные энергии для водородоподобных атомами должно быть E _n = — ( Z ² / n ² ) E _{0 ,} где E ₀ = 13.2} {4} \ left (13,6 \ text {eV} \ right) = — 18,1 \ text {keV} \\ [/ latex]

Таким образом,

[латекс] \ displaystyle {E} _ {K _ {\ alpha}} = — 18,1 \ text {keV} — \ left (-72,5 \ text {keV} \ right) = 54,4 \ text {keV} \\ [/ латекс].

Обсуждение

Эта большая энергия фотонов типична для характерных рентгеновских лучей тяжелых элементов. Он велик по сравнению с другими атомными выбросами, потому что он возникает, когда вакансия внутренней оболочки заполнена, и электроны внутренней оболочки прочно связаны. Характерные энергии рентгеновских лучей становятся все больше для более тяжелых элементов, поскольку их энергия увеличивается примерно как Z ² .Для создания этих вакансий во внутренней оболочке необходимо значительное ускоряющее напряжение. В случае с вольфрамом требуется не менее 72,5 кВ, потому что другие оболочки заполнены, и вы не можете просто столкнуть один электрон с более высокой заполненной оболочкой. Вольфрам — распространенный анодный материал в рентгеновских трубках; настолько большая часть энергии падающих электронов поглощается, что повышает его температуру, поэтому требуется материал с высокой температурой плавления, такой как вольфрам.

Использование рентгеновских лучей в медицинских и других диагностических целях

Все мы можем определить диагностическое использование рентгеновских фотонов.Среди них универсальные стоматологические и медицинские рентгеновские снимки, которые стали неотъемлемой частью медицинской диагностики. (См. Рис. 4 и рис. 5.) Рентгеновские лучи также используются для проверки нашего багажа в аэропортах, как показано на рис. 3, и для раннего обнаружения трещин в важнейших компонентах самолета. Рентгеновский луч — это не только существительное, означающее фотон высокой энергии, это также изображение, создаваемое рентгеновскими лучами, и оно было преобразовано в знакомый глагол — быть рентгеновским.

Рис. 3. На рентгеновском снимке видны пломбы в зубах человека.(Источник: Dmitry G, Wikimedia Commons)

Рис. 4. На этом рентгеновском снимке груди человека видно множество деталей, в том числе искусственный кардиостимулятор. (Источник: Sunzi99, Wikimedia Commons)

Самые распространенные рентгеновские изображения — это простые тени. Поскольку рентгеновские фотоны обладают высокой энергией, они проникают сквозь материалы, непрозрачные для видимого света. Чем больше энергии у рентгеновского фотона, тем больше материала он проникает. Таким образом, рентгеновская трубка может работать при 50,0 кВ для рентгеновского снимка грудной клетки, в то время как ее, возможно, необходимо использовать при 100 кВ, чтобы исследовать сломанную ногу в гипсе.Глубина проникновения зависит от плотности материала, а также от энергии фотона. Чем плотнее материал, тем меньше проникает рентгеновских фотонов и тем темнее тень. Таким образом, рентгеновские лучи отлично подходят для обнаружения переломов костей и визуализации других физиологических структур, таких как некоторые опухоли, которые отличаются по плотности от окружающего материала. Из-за высокой энергии фотонов рентгеновские лучи вызывают значительную ионизацию материалов и повреждают клетки биологических организмов. Современные способы использования сводят к минимуму воздействие на пациента и исключают воздействие на других.Биологические эффекты рентгеновских лучей будут изучены в следующей главе вместе с другими типами ионизирующего излучения, например, производимыми ядрами.

Рис. 5. На этом рентгеновском снимке видно содержимое одного места багажа. Чем плотнее материал, тем темнее тень. (Источник: IDuke, Wikimedia Commons)

По мере увеличения энергии рентгеновских лучей эффект Комптона (см. «Импульс фотона») становится более важным в ослаблении рентгеновских лучей. Здесь рентгеновские лучи рассеиваются от внешней электронной оболочки атома, давая выброшенному электрону некоторую кинетическую энергию, теряя при этом саму энергию.Вероятность ослабления рентгеновских лучей зависит от количества присутствующих электронов (плотности материала), а также от толщины материала. Химический состав среды, характеризуемый ее атомным номером Z , здесь не важен. Рентгеновские лучи с низкой энергией обеспечивают лучший контраст (более четкие изображения). Однако из-за большего затухания и меньшего рассеяния они больше поглощаются более толстыми материалами. Большего контраста можно добиться, введя вещество с большим атомным номером, например барий или йод.Таким образом можно легко увидеть структуру той части тела, которая содержит вещество (например, желудочно-кишечного тракта или брюшной полости).

Рак груди — вторая по значимости причина смерти среди женщин во всем мире. Раннее обнаружение может быть очень эффективным, отсюда важность рентгеновской диагностики. Маммограмма не может диагностировать злокачественную опухоль, а только указать на уплотнение или область повышенной плотности в груди. Поглощение рентгеновских лучей разными типами мягких тканей очень похоже, поэтому контрастирование затруднено; это особенно верно для молодых женщин, у которых обычно более плотная грудь.Для пожилых женщин, которые подвержены большему риску развития рака груди, наличие большего количества жира в груди делает уплотнение или опухоль более контрастными. МРТ (магнитно-резонансная томография) недавно использовалась в качестве дополнения к обычным рентгеновским снимкам для улучшения обнаружения и устранения ложных срабатываний. Доза облучения субъекта от рентгеновских лучей будет рассмотрена в следующей главе.

Рис. 6. Пациента помещают в компьютерный томограф на борту корабля-госпиталя USNS Mercy. КТ-сканер пропускает рентгеновские лучи через срезы тела (или части тела) пациента в различных направлениях.Относительное поглощение рентгеновских лучей в разных направлениях анализируется компьютером для получения высокодетализированных изображений. Трехмерную информацию можно получить из нескольких срезов. (Источник: Ребекка Моут, ВМС США)

Рис. 7. Это трехмерное изображение черепа было получено с помощью компьютерной томографии, включающей анализ нескольких рентгеновских срезов головы. (Источник: Emailshankar, Wikimedia Commons)

Стандартный рентгеновский снимок дает только двумерное изображение объекта.Плотные кости могут скрывать изображения мягких тканей или органов. Если вы сделаете еще один рентгеновский снимок сбоку от человека (первый — спереди), вы получите дополнительную информацию. Хотя теневых изображений достаточно для многих приложений, с помощью современных технологий можно получить гораздо более сложные изображения. На рисунке 6 показано использование сканера компьютерной томографии (КТ), также называемого сканером компьютерной аксиальной томографии (КТ). Рентгеновские лучи проходят через узкую секцию (называемую срезом) тела (или части тела) пациента в различных направлениях.Массив из множества детекторов на другой стороне пациента регистрирует рентгеновские лучи. Затем система вращается вокруг пациента, делается другое изображение и так далее. Рентгеновская трубка и матрица детекторов механически прикреплены и, таким образом, вращаются вместе. Сложная компьютерная обработка изображений относительного поглощения рентгеновских лучей в разных направлениях дает изображение с высокой детализацией. По мере того, как пациент перемещается через сканер на столе, берутся разные срезы. Множественные изображения разных срезов также могут быть проанализированы компьютером для получения трехмерной информации, иногда улучшающей определенные типы тканей, как показано на рисунке 7.Дж. Хаунсфилд (Великобритания) и А. Кормак (США) получили Нобелевскую премию по медицине в 1979 году за разработку компьютерной томографии.

Рентгеновская дифракция и кристаллография

Поскольку рентгеновские фотоны очень энергичны, они имеют относительно короткие длины волн. Например, рентгеновский луч 54,4 кэВ K _α из Примера 1 имеет длину волны [латекс] \ lambda = \ frac {hc} {E} = 0,0228 \ text {нм} \\ [/ latex] . Таким образом, типичные рентгеновские фотоны действуют как лучи, когда сталкиваются с макроскопическими объектами, такими как зубы, и создают резкие тени; однако, поскольку атомы порядка 0.Рентгеновские лучи размером 1 нм можно использовать для определения местоположения, формы и размера атомов и молекул. Этот процесс называется дифракцией рентгеновских лучей , потому что он включает в себя дифракцию и интерференцию рентгеновских лучей для создания структур, которые можно анализировать для получения информации о структурах, рассеивающих рентгеновские лучи. Возможно, самым известным примером дифракции рентгеновских лучей является открытие двойной спиральной структуры ДНК в 1953 году международной группой ученых, работающих в Кавендишской лаборатории, — американцем Джеймсом Уотсоном, англичанином Фрэнсисом Криком и уроженцем Новой Зеландии Морисом Уилкинсом. .Используя данные дифракции рентгеновских лучей, полученные Розалиндой Франклин, они первыми обнаружили структуру ДНК, которая так важна для жизни. За это Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии 1962 года по физиологии и медицине. Существует много споров и разногласий по поводу того, что Розалинда Франклин не была включена в приз.

Рис. 8. Дифракция рентгеновских лучей от кристалла белка, лизоцима куриного яйца, дала эту интерференционную картину. Анализ структуры дает информацию о структуре белка.(кредит: Del45, Wikimedia Commons)

На рисунке 8 показана дифракционная картина, полученная при рассеянии рентгеновских лучей на кристалле. Этот процесс известен как рентгеновская кристаллография из-за информации, которую он может дать о кристаллической структуре, и это был тип данных, которые Розалинд Франклин предоставила Уотсону и Крику для ДНК. Рентгеновские лучи не только подтверждают размер и форму атомов, но и дают информацию об их расположении в материалах. Например, текущие исследования высокотемпературных сверхпроводников включают сложные материалы, структура решетки которых имеет решающее значение для получения сверхпроводящего материала.Их можно изучить с помощью рентгеновской кристаллографии.

Исторически, рассеяние рентгеновских лучей кристаллами использовалось, чтобы доказать, что рентгеновские лучи являются энергичными электромагнитными волнами. Об этом подозревали с момента открытия рентгеновских лучей в 1895 году, но только в 1912 году немец Макс фон Лауэ (1879–1960) убедил двух своих коллег рассеивать рентгеновские лучи на кристаллах. Он рассуждал, что если будет получена дифракционная картина, то рентгеновские лучи должны быть волнами, и их длина волны может быть определена. (Расстояние между атомами в различных кристаллах в то время было достаточно хорошо известно, исходя из хороших значений числа Авогадро.) Эксперименты были убедительными, и Нобелевская премия по физике 1914 года была присуждена фон Лауэ за его предложение, приведшее к доказательству того, что рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами. В 1915 году уникальная команда отца и сына сэра Уильяма Генри Брэгга и его сына сэра Уильяма Лоуренса Брэгга была удостоена совместной Нобелевской премии за изобретение рентгеновского спектрометра и новой на тот момент науки рентгеновского анализа. Старший Брэгг эмигрировал в Австралию из Англии сразу после получения диплома по математике. Он изучал физику и химию во время своей карьеры в Университете Аделаиды.Младший Брэгг родился в Аделаиде, но вернулся в Кавендишские лаборатории в Англии, чтобы заняться рентгеновской и нейтронной кристаллографией; он оказал поддержку Уотсону, Крику и Уилкинсу в их работе по разгадке тайн ДНК и Максу Перуцу за его работу 1962 года о структуре гемоглобина, получившую Нобелевскую премию. Здесь мы снова становимся свидетелями всесторонней природы физики — создания инструментов и разработки экспериментов, а также решения загадок в биомедицинских науках.

Некоторые другие варианты использования рентгеновских лучей будут изучены в следующих главах.Рентгеновские лучи полезны при лечении рака из-за ингибирующего действия, которое они оказывают на размножение клеток. Наблюдаемые рентгеновские лучи из космоса полезны для определения природы их источников, таких как нейтронные звезды и, возможно, черные дыры. Рентгеновские лучи, создаваемые при взрывах ядерных бомб, также можно использовать для обнаружения тайных испытаний этого оружия в атмосфере. Рентгеновские лучи могут вызывать возбуждение атомов, которые затем флуоресцируют (испускают характеристическое электромагнитное излучение), что делает индуцированную рентгеновскими лучами флуоресценцию ценным аналитическим инструментом в целом ряде областей от искусства до археологии.

Сводка раздела

• Рентгеновские лучи — это относительно высокочастотное электромагнитное излучение. Они создаются переходами между электронными уровнями внутренней оболочки, которые производят рентгеновские лучи, характерные для атомного элемента, или ускорением электронов.
• Рентгеновские лучи имеют множество применений, включая медицинскую диагностику и дифракцию рентгеновских лучей.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему характеристические рентгеновские лучи являются наиболее энергичными в спектре электромагнитного излучения данного элемента.
2. Почему энергия характеристического рентгеновского излучения становится все больше для более тяжелых атомов?
3. Наблюдатели, находящиеся на безопасном расстоянии от места испытания ядерной бомбы в атмосфере, ощущают ее тепло, но не получают обильного рентгеновского излучения. Почему воздух непрозрачен для рентгеновских лучей, но прозрачен для инфракрасного?
4. Лазеры используются для записи и чтения компакт-дисков. Объясните, почему лазер, излучающий синий свет, способен записать и прочитать больше информации, чем тот, который излучает инфракрасный свет.
5. Кристаллические решетки можно исследовать с помощью рентгеновских лучей, но не УФ.Почему?
Сканеры
6. КТ не обнаруживают детали размером менее 0,5 мм. Это ограничение связано с длиной волны рентгеновских лучей? Объяснять.

Задачи и упражнения

1. (a) Какое рентгеновское излучение с самой короткой длиной волны может генерироваться в рентгеновской трубке с приложенным напряжением 50,0 кВ? (б) Рассчитайте энергию фотона в эВ. (c) Объясните зависимость энергии фотона от приложенного напряжения.
2. Цветная телевизионная трубка также излучает некоторые рентгеновские лучи, когда ее электронный луч попадает на экран.Какова самая короткая длина волны этих рентгеновских лучей, если для ускорения электронов используется потенциал 30,0 кВ? (Обратите внимание, что телевизоры имеют экранирование, предотвращающее попадание рентгеновских лучей на зрителей.)
3. Рентгеновская трубка имеет приложенное напряжение 100 кВ. а) Какой рентгеновский фотон он может произвести с наибольшей энергией? Выразите свой ответ в электрон-вольтах и ​​джоулях. (б) Найдите длину волны такого рентгеновского излучения.
4. Максимальная характерная энергия рентгеновского фотона возникает в результате захвата свободного электрона в вакансию оболочки [латекс] K [/ латекс].Что это за энергия фотона в кэВ для вольфрама, если предположить, что у свободного электрона нет начальной кинетической энергии?
5. Каковы приблизительные энергии рентгеновских лучей K _α и K _β для меди?

Глоссарий

рентгеновские лучи: форма электромагнитного излучения

дифракция рентгеновских лучей: метод, который предоставляет подробную информацию о кристаллографической структуре природных и промышленных материалов

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 0,248 × 10 ⁻¹⁰ м; (б) 50,0 кэВ; (c) Энергия фотона — это просто приложенное напряжение, умноженное на заряд электрона, поэтому значение напряжения в вольтах такое же, как значение энергии в электрон-вольтах.

3. (а) 100 × 10 ³ эВ, 1.60 × 10 ⁻¹⁴ Дж; (б) 0,124 × 10 ⁻¹⁰ м

5. (а) 8.00 кэВ; (б) 9,48 кэВ

лучей | Управление научной миссии

РЕНТГЕНОВСКИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЭНЕРГИЯ

Рентгеновские лучи имеют гораздо более высокую энергию и гораздо более короткие длины волн, чем ультрафиолетовый свет, и ученые обычно относятся к рентгеновским лучам с точки зрения их энергии, а не длины волны.Частично это связано с тем, что рентгеновские лучи имеют очень маленькие длины волн, от 0,03 до 3 нанометров, настолько малы, что некоторые рентгеновские лучи имеют размер не больше одного атома многих элементов.

На этой мозаике из нескольких изображений центральной области нашей галактики Млечный Путь, сделанных рентгеновской обсерваторией Чандра, видны сотни белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. По отдельности Солнечная и гелиофизическая обсерватория (SOHO) сфотографировала эти изображения Солнца, представляющие полный солнечный цикл с 1996 по 2006 год.Предоставлено: NASA / UMass / D.Wang et al. Изображения Солнца с SOHO — Консорциум EIT: NASA / ESA

ОТКРЫТИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Рентгеновские лучи были впервые обнаружены и задокументированы в 1895 году немецким ученым Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Он обнаружил, что потоки рентгеновских лучей через руки и кисти создают подробные изображения костей внутри. Когда вам делают рентгеновский снимок, на одну сторону вашего тела надевают чувствительную к рентгеновскому излучению пленку, и рентгеновские лучи проходят сквозь вас. Поскольку кости плотные и поглощают больше рентгеновских лучей, чем кожа, тени от костей остаются на рентгеновской пленке, в то время как кожа кажется прозрачной.

Рентгеновский снимок зубов. Вы видите наполнение?

Рентгеновский снимок годовалой девочки, проглотившей булавку. Вы можете это найти?

Пики излучения нашего Солнца наблюдаются в видимом диапазоне, но корона Солнца намного горячее и излучает в основном рентгеновские лучи. Для изучения короны ученые используют данные, собранные детекторами рентгеновского излучения на спутниках, находящихся на орбите вокруг Земли.Японский космический аппарат Hinode сделал эти рентгеновские изображения Солнца, которые позволяют ученым видеть и регистрировать потоки энергии внутри короны.

Предоставлено: Hinode JAXA / NASA / PPARC

ТЕМПЕРАТУРА И СОСТАВ

Физическая температура объекта определяет длину волны испускаемого им излучения. Чем горячее объект, тем короче длина волны пикового излучения. Рентгеновские лучи исходят от объектов, имеющих миллионы градусов Цельсия, таких как пульсары, остатки галактических сверхновых и аккреционный диск черных дыр.

Из космоса рентгеновские телескопы собирают фотоны из заданной области неба. Фотоны направляются на детектор, где они поглощаются, и регистрируются энергия, время и направление отдельных фотонов. Такие измерения могут дать подсказки о составе, температуре и плотности далеких небесных сред. Из-за высокой энергии и проницаемости рентгеновских лучей, рентгеновские лучи не будут отражаться, если они попадут в зеркало головой (почти так же, как пули врезаются в стену).Рентгеновские телескопы фокусируют рентгеновские лучи на детекторе с помощью зеркал скользящего падения (точно так же, как пули рикошетируют, когда они ударяются о стену под скользящим углом).

Марсоход НАСА, Spirit, использовал рентгеновские лучи для обнаружения спектральных признаков цинка и никеля в марсианских породах. В приборе Alpha Proton X-Ray Spectrometer (APXS) используются два метода: один для определения структуры, а другой — для определения состава. Оба этих метода лучше всего работают с более тяжелыми элементами, такими как металлы.

СУПЕРНОВА

Поскольку атмосфера Земли блокирует рентгеновское излучение, телескопы с детекторами рентгеновского излучения должны быть расположены над поглощающей атмосферой Земли.Остаток сверхновой Кассиопея A (Cas A) был получен тремя крупными обсерваториями НАСА, и данные всех трех обсерваторий были использованы для создания изображения, показанного ниже. Инфракрасные данные космического телескопа Спитцера окрашены в красный цвет, оптические данные космического телескопа Хаббла — желтого цвета, а рентгеновские данные из рентгеновской обсерватории Чандра — зеленого и синего цвета.

Рентгеновские данные показывают горячие газы с температурой около десяти миллионов градусов по Цельсию, которые образовались, когда материал, выброшенный сверхновой, врезался в окружающий газ и пыль со скоростью около десяти миллионов миль в час.Сравнивая инфракрасные и рентгеновские изображения, астрономы узнают больше о том, как относительно холодные частицы пыли могут сосуществовать в сверхгорячем газе, производящем рентгеновские лучи.

Источник: рентгеновский снимок: NASA / CXC / SAO; Оптический: NASA / STScI; Инфракрасный: NASA / JPL-Caltech / Steward / O.Krause et al.

АВРОРА ЗЕМЛИ В РЕНТГЕНОВСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ

Солнечные бури на Солнце выбрасывают к Земле облака энергичных частиц. Эти высокоэнергетические частицы могут быть захвачены магнитосферой Земли, создавая геомагнитные бури, которые иногда приводят к полярным сияниям.Энергичные заряженные частицы Солнца, вызывающие полярное сияние, также заряжают энергией электроны в магнитосфере Земли. Эти электроны движутся вдоль магнитного поля Земли и в конечном итоге ударяются о ионосферу Земли, вызывая рентгеновское излучение. Эти рентгеновские лучи не опасны для людей на Земле, потому что они поглощаются нижними частями атмосферы Земли. Ниже приведено изображение рентгеновского сияния, полученное прибором Polar Ionospheres X-ray Imaging Experiment (PIXIE) на борту спутника Polar.

Предоставлено: POLAR, PIXIE, NASA

Начало страницы | Далее: Гамма-лучи

Цитата

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий. (2010). Рентген. Получено [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/11_xrays

MLA

Управление научной миссии. «Рентгеновские лучи» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/11_xrays