47. Рентгеновское излучение и его свойства.

Ответ. Рентгеновские лучи X-лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны от 10^-12 дo 10^-8 м, т.е. от 0,01 A дo 100 A, и занимают на шкале электромагнитных волн участок между ɣ- и ультрафиолетовым излучением. Рентгеновское излучение (Х-лучи) открыты в 1895 г. К. Рентгеном, который в 1901 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике. Законы распространения рентгеновых лучей подобны законам распространения света. Как световое излучение, рентгеновы лучи при взаимодействии со средой частично поглощаются, частично отражаются и рассеиваются. Но так как длина волны рентгеновых лучей мала, а энергия квантов велика, то они обладают еще другими свойствами:1) проникают через среды различной плотности — картон, дерево, ткани организма животного и т. д. Проникающая способность рентгеновых лучей тем больше, чем короче длина волны и, следовательно, больше энергия квантов. Глубина проникновения рентгеновых лучей в ту или иную среду, или степень ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через слой того или другого материала, зависит не только от коротковолновости или энергии квантов, но и от свойств материала: чем плотнее среда, тем больше в ней поглощаются рентгеновы лучи. Например, слой воды толщиной 35 см ослабляет интенсивность потока рентгеновых лучей, генерированных при напряжении 200 кв, в такой же степени, как слой железа 4,75 см или бетона толщиной 17,23 см; 2) вызывают свечение — люминесценцию некоторых химических соединений. Одни вещества светятся в момент действия рентгеновых лучей, такое свечение называется флуоресценцией. Другие вещества продолжают светиться некоторое время после того, как рентгеновы лучи прекратили действие, это свечение называется фосфоресценцией; 3) подобно видимому свету, вызывают изменения в галоидных соединениях серебра, входящих в состав фотоэмульсий. Иначе говоря, вызывают фотохимические реакции; 4) вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул. В результате ионизации образуются положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. Ионизированная среда становится проводником электрического тока. Это свойство используют для измерения интенсивности лучей с помощью так называемой ионизационной камеры. 5) Оказывают биологическое действие на живые клетки. Различают два основных механизма такого воздействия. Первый механизм имеет чисто электрохимическую природу. Дело в том, что человеческий организм состоит, в основном, из воды (75%). Поэтому, при прохождении через организм, рентгеновское излучение взаимодействием преимущественно именно с молекулами воды. В результате этого взаимодействия молекулы разделяются на ионы OH- и H+, называемые свободными радикалами. Эти ионы имеют чрезвычайно высокую химическую активность и немедленно вступают в химическую реакцию с другими молекулами организма, в результате которых образуются ядовитые вещества, происходит интоксикация организма. Её наиболее явным симптомом является рвота. Второй механизм имеет биологическую основу и состоит в воздействии рентгеновского излучения на функцию деления биоклетки, подавляя или стимулируя её. Именно поэтому рентгеновское излучение очень опасно для маленьких детей и беременных женщин. Излучение воздействует в первую очередь на такие органы как щитовидная железа, костный мозг репродуцирующий кровь, половые органы, хрусталик глаза и т.п. В зависимости от дозы излучения, поглощённого органом, процесс деления его клеток может быть либо ускорен, либо замедлен. В первом случае облучение может стимулировать развитие раковой опухали, во втором – замедление процесса роста органа. Рентгеновское излучение обладает также большой проникающей способностью. Оно может проникать как сквозь прозрачные (для видимого излучения), так и сквозь непрозрачные предметы. По мере распространения рентгеновского излучения в веществе его интенсивность I уменьшается (в результате поглощения и рассеяния на частицах вещества). Естественными источниками рентгеновского излучения являются некоторые радиоактивные изотопы (например, 55Fe). Искусственными источниками мощного рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки, представляющие собой вакуумированную стеклянную колбу с двумя электродами: анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение U (1-500 кВ). Катод представляет собой спираль, нагреваемую электрическим током. Электроны, испущенные нагретым катодом (термоэлектронная эмиссия), разгоняются электрическим полем до больших скоростей (для этого и нужно высокое напряжение) и попадают на анод трубки. При взаимодействии этих электронов с веществом анода возникают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое. В рентгеновское излучение превращается примерно 1 % кинетической энергии электронов. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Поэтому рабочая поверхность анода выполняется из тугоплавкого материала. В зависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими). Тормозное рентгеновское излучение порождается в ходе торможения быстрых свободных электронов электрическими полями электронов, входящих в состав атомов вещества мишени. Характеристическое рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, испускаемое при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (характеристический спектр). Рентгеновское излучение в веществе поглощается или рассеивается. При этом могут происходить различные процессы, которые определяются соотношением энергии рентгеновского фотона hv и энергии ионизации Аи (энергия ионизации Аи – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы). Когерентное рассеяние (рассеяние длинноволнового излучения) происходит тогда, когда выполняется соотношение hv < Аи. Энергия фотона и атома не изменяются, то когерентное рассеяние не влияет на биологические объекты, но при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения первичного направления пучка. Фотоэффект происходит тогда, когда hv ≥ Аи. При этом могут быть реализованы два случая. Фотон поглощается, электрон отрывается от атома. Происходит ионизация. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую энергию: Eк = hv – Aи. Если кинетическая энергия велика, то электрон может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые вторичные электроны. Фотон поглощается, но его энергии не достаточно для отрыва электрона, и может происходить возбуждение атома или молекулы. Это часто приводит к последующему излучению фотона в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул и фотохимическим реакциям. Фотоэффект происходит, в основном, наэлектронах внутренних оболочек атомов с высоким Z. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона, 1922 г.) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации hv » Аи. При этом электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи), приобретает некоторую кинетическую энергию Eк, энергия самого фотона уменьшается. Большая проникающая способность рентгеновского излучения обусловила его использование в медицине и промышленности для диагностики внутренних болезней и выявления дефектов. Различают два основных метода рентгеновской диагностики: рентгенографию, в которой для детектирования рентгеновского излучения используют фотобумагу, и флюорографию или рентгеноскопию, когда для изучения рентгеновского излучения, прошедшего сквозь пациента, используют флуоресцентные экраны. При флюорографии используют более мягкое излучение, поскольку для возбуждения атомов чувствительного слоя экрана требуются менее энергичные рентгеновские фотоны, чем в случае рентгеноскопии, когда необходимо ионизировать атомы серебра в светочувствительном слое фотобумаги. Поэтому метод флюорографии является менее вредным, по сравнению с рентгенографией, и используется в медицинской практике более широко. Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток.