3). Некогерентное рассеяние (эффект Комптона) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации:

» А_и.

При этом электрон выбивается из атома (такие электроны называются электронами отдачи), приобретая кинетическую энергию E_к, и образуются рассеянный рентгеновский фотон с меньшей энергией ( ) (рис. 3, г):

и . (5)

Образующееся таким образом рентгеновское излучение меньшей частоты называется вторичным. Вторичные рентгеновские фотоны с энергией >А_и и электроны отдачи также могут вызывать дальнейшую ионизацию вещества, в котором они распространяются.

Отрыв от атома электронов внутренних оболочек при ионизации приводит к образованию фотонов характеристического излучения, тоже вызывающих последующую ионизацию.

В результате первичная ионизация – следствие фотоэффекта и эффекта Комптона – мала по сравнению с тем количеством ионизированных и возбужденных атомов, которое возникает при взаимодействии вторичных электронов и фотонов с веществом.

Отметим, что для ионизации атомов большинства элементов, входящих в состав биоструктур, энергия ионизации составляет 10-15 эВ. Напомним, что электрон-вольт (эВ) – внесистемная единица измерения энергии, 1эВ – энергия, которую приобретает электрон, прошедший разность потенциалов 1В, т.е. 1эВ=e·1В=1,6·10^-19Кл·1В=1,6·10^-19Вт·с=

=1,6·10^-19Дж

Рис. 3. Механизмы взаимодействия рентгеновского излучения

С веществом (на рис. Я – символ ядра)

5 Закон ослабления рентгеновского излучения, слой половинного ослабления.

При падении рентгеновского излучения на вещество оно незначительно отражается от его поверхности, а в основном проходит вглубь, при этом частично поглощается и рассеивается, частично проходит насквозь.

В веществе поток рентгеновского излучения ослабляется по закону:

Ф = Ф₀е^{–  х} (е≈2,7) (6)

здесь  – линейный коэффициент ослабления, который существенно зависит от плотности вещества. Он равен сумме трех слагаемых, соответствующих когерентному рассеянию _1, некогерентному рассеянию ₂ и фотоэффекту ₃:

 = ₁ + ₂ + ₃. (7)

Вклад каждого слагаемого определяется энергией фотона. Ниже приведены соотношения этих процессов для мягких тканей (обычно моделью мягких тканей является вода)(см. таб.1).

Таблица 1.

Энергия, кэВ	Фотоэффект, %	Комптон – эффект, %
10 40 80 250	100 75 50 1	0 25 50 99

Отметим, что при рентгенодиагностике используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100-120 кэВ, как видно из таблицы, и определяющими процессами здесь являются фото- и Комптон- эффекты.

Кроме линейного вводится также массовый коэффициент ослабления, который не зависит от плотности вещества :

_m = /. (8)

Массовый коэффициент ослабления зависит от длины волны R-излучения и от атомного номера вещества – поглотителя:

_m = k³Z³, тогда (9)

 =  _m = k³Z³ (9’)

Из формул (9, 9’) следует, что различные ткани человеческого по-разному ослабляют рентгеновское излучение. Это позволяет в теневой проекции на флюоресцирующем экране или фотопленке, на экране компьютера видеть изображение внутренних органов. Для справки: массовые коэффициенты ослабления кости и мягкой ткани (воды) отличаются в 68 раз: _{m кости}/_{m воды}= 68. Линейные коэффициенты ослабления еще в большей степени различаются между собой. Именно на этом основана рентгенодиагностика.

Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария (BaS0₄), можно видеть их теневое изображение (соотношение коэффициентов ослабления равно 354).

Остановимся на вопросе защиты от рентгеновского излучения. Здесь используется такое понятие как слой половинного ослабления.

Слой половинного ослабления – это такая толщина слоя некоторого вещества, которая ослабляет поток падающего излучения в два раза. Используя закон ослабления (6), легко найти связь между слоем половинного ослабления d_0,5 и линейным коэффициентом ослабления .

При х = d_0,5 (6) можно записать так:

,

логарифмируя это выражение, получим:

или . (10)

Величина d_0,5 зависит от энергии рентгеновского фотона и вещества, ослабляющего излучение. Например, d_0,5 при напряжении на рентгеновской трубке 60 кВ составляет 1 мм для Al и 10 мм для H₂O, d_0,5 достаточно мала для свинца, поэтому данный материал чаще всего используется в средствах защиты от рентгеновского излучения.

6 Использования рентгеновского излучения в медицине: рентгенодиагностика и рентгенотерапия.

Рис.4

1. При рентгеноскопии рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним располагается флуоресцирующий экран. На экране наблюдается теневое (позитивное) изображение. В каждом отдельном случае подбирается соответствующая жесткость излучения, так чтобы оно проходило через мягкие ткани, но достаточно поглощалось плотными. В противном случае получается однородная тень. На экране сердце, ребра видны темными, легкие – светлыми.

2. При рентгенографии объект помещается на кассете, в которую вложена пленка со специальной фотоэмульсией. Рентгеновская трубка располагается над объектом. Получаемая рентгенограмма дает негативное изображение, т.е. обратное по контрасту с картиной, наблюдаемой при просвечивании. В данном методе имеет место большая четкость изображения, чем в (1), поэтому наблюдаются детали, которые трудно рассмотреть при просвечивании.

Перспективным вариантом данного метода является рентгеновская компьютерная томография.

3. Рентгеновская компьютерная томография.

Метод рентгеновской компьютерной томографии основан на реконструкции изображения определенного сечения (среза) тела пациента путем регистрации большого количества рентгеновских проекций этого сечения, выполненных под разными углами (рис. 5). Информация от датчиков, регистрирующих эти проекции, поступает в компьютер, который по специальной программе вычисляет распределение плотности образца в исследуемом сечении и отображает его на экране дисплея. Полученное таким образом изображение сечения тела пациента характеризуется прекрасной четкостью и высокой информативностью. Программа позволяет при необходимости увеличить контраст изображения в десятки и даже сотни раз. Это расширяет диагностические возможности метода.

Рис. 5. Схема рентгеновского просвечивания среза исследуемого органа (точка 1 и точка 2 – два последовательных положения источника рентгеновского излучения)