Рентгеновское излучение
Природа рентгеновского излучения, его получение.
Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.
Характеристическое рентгеновское излучение (для ознакомления).
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Закон ослабления рентгеновского излучения, слой половинного ослабления.
Использование рентгеновского излучения в медицине: рентгенодиагностика и рентгенотерапия.
Рентгеновское излучение (X – лучи) открыто К. Рентгеном, который в 1895 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.
Природа рентгеновского излучения, его получение
Рентгеновское излучение – электромагнитные волны с длиной от 80 до 10–5 нм. Длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым УФ-излучением, коротковолновое – длинноволновым -излучением.
Рентгеновское излучение получают в рентгеновских трубках (рис.1).
К – катод
А – анод
1 – пучок электронов
2 –рентгеновское излучение
Рис. 1. Устройство рентгеновской трубки.
Трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу (давление воздуха в ней порядка 10–6 мм.рт.ст.) с двумя электродами: анодом А и катодом К, к которым приложено высокое постоянное напряжение U (в рентгенологии – 15 - 150 кВ в зависимости от цели исследования). Катод является источником электронов (за счет явления термоэлектронной эмиссии). Анод – металлический стержень, имеет наклонную поверхность для того, чтобы направлять возникающее рентгеновское излучение под углом к оси трубки, вдоль которой к аноду движутся электроны. Он изготовляется из хорошо теплопроводящего материала для отвода теплоты, образующейся при его бомбардировке электронами. На скошенном торце имеется пластинка из тугоплавкого металла (например, вольфрама). Именно при взаимодействии электронов с атомами вещества этой пластинки и возникает R-излучение.
Различают тормозное и характеристическое R-излучение. Первое обычно используется в медицине, второе в рентгеноструктурном анализе.
Тормозное рентгеновское излучение, его спектральные свойства.
Под действием высокого напряжения U между анодом и катодом электроны, испущенные раскаленной нитью катода, ускоряются до больших энергий и больших скоростей. Напомним, что кинетическая энергия электрона равна mv2/2 и равна энергии, которую он приобретает, двигаясь в электрическом поле трубки:
mv2/2 = eU (1)
где m, e – масса и заряд электрона, U – ускоряющее напряжение.
Возникновение тормозного рентгеновского излучения обусловлено торможением электронов электростатическим полем ядер и электронов вещества анода. Дело в том, что изменение скорости электрона при торможении приводит к появлению у него ускорения, а всякий ускоренно движущийся электрический заряд становится источником электромагнитной волны. Длина волны зависит от величины ускорения. Условия, реализуемые при торможении электрона в R-трубке, таковы, что возникает излучение рентгеновского диапазона.
Спектр тормозного рентгеновского излучения представляет собой зависимость спектральной плотности потока рентгеновского излучения Φ1 от длины волны и является сплошным. Причина этого в следующем. При торможении электронов у каждого из них часть энергии идет на нагрев анода (Е1 = Q), часть - на создание кванта (фотона) рентгеновского излучения (Е2 = hv), иначе,
eU = hv + Q. (1/)
Соотношение
между этими частями случайное, а значит
величина hv
= h
различна при
торможении разных электронов.
Так как h
и c
являются константами, то в спектре будет
присутствовать излучение самых разных
длин волн (частот). Спектры тормозного
рентгеновского излучения, полученные
при разных условиях, показаны на рис.2.
Рис.2. Спектр тормозного рентгеновского излучения: а) при различном напряжении U в трубке; б) при различной температуре Т катода.
Со стороны коротких длин волн спектр резко обрывается на определенной длине волны min. Такое коротковолновое тормозное излучение возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в электрическом поле R-трубки, полностью переходит в энергию фотона (Q = 0):
eU = hvmax = hc/min, min = hc/(eU), (2)
min(нм) = 1,23/UкВ
Из формулы (2) видно, что спектральный состав излучения зависит от величины напряжения на рентгеновской трубке, с увеличением напряжения значение min и весь спектр смещаются в сторону коротких длин волн (рис. 2a).
Коротковолновое (жесткое) излучение обладает большей проникающей способностью в вещество, чем длинноволновое (мягкое). Мягкое излучение сильнее поглощается веществом. Регулировать степень жесткости можно, изменяя U.
При изменении температуры Т накала катода возрастает эмиссия электронов. Следовательно, увеличивается ток I в трубке, но спектральный состав излучения не изменяется (рис. 2б). Он так же не изменяется при замене вещества анода.
Поток энергии Ф тормозного излучения (мощность излучения) прямо пропорционален квадрату напряжения U между анодом и катодом, силе тока I в трубке и атомному номеру Z вещества анода:
Ф = kZU2I. (3)
где k = 10–9 Вт/(В2А),
Вт/(В2А)= В-1