При этом могут возникнуть три случая взаимодействия.
1. Если фотон не обладает достаточной энергией для перевода орбитального электрона на более высокий энергетический уровень, то взаимодействие происходит путем упругого соударения, изменяется направление фотона, а энергия и длина волны остаются прежними hv1 = hv2 Это взаимодействие называется когерентным или классическим рассеянием.
2. Если энергия кванта равна или незначительно превышает работу выхода электрона из металла, то при взаимодействии возникает фотоэффект, энергия фотона затрачивается на работу по выходу электрона из атома и сообщение ему кинетической энергии.
hv1 = Aвых + (mυ2)/2
Если энергия меньше работы выхода, но достаточна для того, чтобы перевести электрон с одной орбиты на другую (с более высоким энергетическим уровнем), то может произойти излучение в видимой части спектра, рентгенолюминесценция или активация молекул. Оба вида взаимодействия объединены общим названием - истинное поглощение.
3. Если энергия фотона значительно превышает работу по выходу электрона, что более характерно для жесткого коротковолнового излучения и внешних электронов атома, то при взаимодействии фотон отдает часть энергии. Возникает фотон с меньшей энергией и фотоэлектрон отдачи. Это явление называется не когерентным рассеянием или комптон-эффектом.
Возникающие новый фотон и электрон называют вторичным излучением. Вторичное излучение может вызывать новые реакции (когерентное рассеяние, истинное поглощение, комптон-эффект) с образованием третичных электронов, квантов и т.д. В результате всех этих процессов возникает ионизация вещества и излучение с большей длиной волны, которое рассеивается по всем направлениям.
Параллельный поток рентгеновских лучей при прохождении через вещество ослабляется. Ослабление подчиняется закону Бугера: Ф = Ф0e-μd
Фо - поток, падающий на вещество, Ф - поток, прошедший через вещество, μ - линейный коэффициент ослабления, d - толщина слоя вещества.
Для рентгеновского излучения применяемого в медицине с энергией фотонов 150-200 кэВ при глубокой терапии; 60-100 кэВ при диагностике; коэффициент ослабления определяется по формуле:
μ = kpZ3λ3,
k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, р - плотность вещества, Z - порядковый номер элемента, λ - длина волны излучения.
Если на пути рентгеновского излучения поместить неоднородное вещество, то на флюоресцирующем экране получим тени отдельных деталей
вещества. Таким неоднородным веществом является организм человека. Просвечивая его рентгеновскими лучами, по форме и размерам, а так же по интенсивности теневого изображения, судят о нормальном или патологическом состоянии органов. Такой метод диагностики заболеваний носит название рентгенодиагностики. Существует два основных метода рентгенодиагностики: рентгеноскопия и рентгенография. При рентгеноскопии теневое изображение органов наблюдается на люминесцентном экране. На экране более плотные ткани (сердце, кровеносные сосуды) видны темными, мало поглощающие ткани (легочные поля) - светлыми. При рентгенографии теневое изображение фотографируют на фотопленку. Изображение получают негативное (обратное) по отношению к изображению на экране.
Кроме основных методов, используются специальные приемы рентгенодиагностики.
1. Контрастная рентгенография. Для получения более контрастного изображения используются особые вещества, вводимые в ткани - отрицательные контрастные вещества (воздух, кислород) используются в плотных тканях (головной мозг), положительные контрастные вещества (соли бария, коллоиды на основе йода) для мало поглощающих тканей.
2. Флюорография. Фотографирование рентгеновского изображения с экрана на пленку небольшого формата. Экран, оптика и пленка с фотокамерой объединяются в большую светонепроницаемую систему, что позволяет делать съемку в незатемненном помещении. Этот метод применяется для массового обследования населения.
3. Электрорентгенография отличается от обычной рентгенографии способом получения изображения; при этом методе пучок рентгеновских лучей, прошедших через тело пациента, направляется на предварительно зараженную селеновую пластину. Прошедшие через организм рентгеновские лучи, изменяют потенциал пластины на разных ее участках, соответственно интенсивности попадающего на эти участки излучения - на пластинке возникает «скрытое электрическое изображение». Для «проявления» изображения селеновую пластинку напыляют графитовым порошком, который притягивается к тем местам, где сохранился заряд и не задерживается в тех местах, которые потеряли заряд под действием рентгеновских лучей. Это изображение легко переносится на обычную бумагу. После стирания порошка пластину можно использовать вновь. На одной пластине можно провести более 1000 снимков. Главные достоинства электрорентгенографии состоит в том, что она позволяет быстро получить снимки без затрат фотопленки, без мокрого фотопроцесса, без затемнения и обладает более высокой разрешающей способностью.
4. Рентгеновская компьютерная томография. Этот метод заключается в перемещении рентгеновской трубки по определенной траектории, для фотографирования объекта с различных положений. При этом на фотопленке изображение также перемещается. Однако съемка производится таким образом, что рентгеновский луч всегда проходит одну и ту же точку О. Если перемещать эту точку, то на снимке можно получить послойное теневое изображение (томография - послойная запись). Чтение таких изображений довольно сложное. Помогает врачу в этом вопросе вычислительная техника, поэтому добавляется слово компьютерная томография. Рентгеновская компьютерная томография позволяет получать изображение с деталями около 1 мм, различаются по контрастности два образования с разностью в поглощении около 0,1 %.
5. Рентгенотелевидение. С помощью специальных фотоусилителей рентгеновского изображения (УРИ) регистрируют и усиливают слабое изображение на экране и, используя передающую телевизионную аппаратуру, получают изображение на экране телевизора. Изображение на экране телевизора значительной яркости, обеспечивает выявление сравнительно малых деталей объекта, позволяет производить фото - и киносъемку.
Рентгеновские лучи используют для «лечения» злокачественных новообразований - рентгенотерапия. При облучении живых тканей рентгеновскими лучами изменяется функциональное состояние клеток. Первичный эффект воздействия рентгеновских лучей на вещество - ионизация. Выявлено, что при летальных дозах в клетке образуется около 1 млн. ионов (всего в клетке 1014 атомов). При первичном размене энергии никаких видимых структурных изменений в атомах и молекулах не происходит. Современная физиология рассматривает первичные эффекты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом (в том числе и рентгеновского) в двух аспектах: взаимодействие с молекулами воды в водных растворах и действие на органические соединения. В водных растворах образуются радикалы (ОН-, Н+), гидроперекисные и перекисные соединения (Н2О2), обладающие большой химической активностью. При воздействии на органические соединения образуются возбужденные молекулы, радикалы, ионы, перекиси, которые так же в химическом отношении весьма активны. Т.о. первичное взаимодействие происходит по физическим законам возбуждения и ионизации молекул. Ионизация атомов и молекул вызывает вторичные процессы, развивающиеся по биологическим законам. Активные перекисные соединения окисляют и изменяют клеточные ферменты, что вызывает нарушение нормального протекания биохимических процессов - клетки теряют способность синтезировать определенные типы белков, без которых невозможно деление клетки. Возникают мутации, изменяется течение белкового, углеводного, пептидного и холестеринового обмена веществ. При таких реакциях белковые молекулы могут разрушаться и распадаться на аминокислоты, вплоть до образования весьма токсичных гистаминоподобных соединений, под влиянием которых развиваются дистрофические и некротические изменения. Особенно сильно рентгеновские лучи действуют на быстрорастущие, малодифференцированные клетки - кроветворные органы, кожу, гонады, что позволяет использовать рентгеновские лучи для облучения раковых опухолей этих образований. Следует помнить, что излучение действует не только на биологический объект, подвергнутый облучению, но и на последующие поколения, через наследственный аппарат клеток.