Рентгенівське випромінювання

Рентгенівське випромінювання (синонім рентгенівські промені) - це електромагнітне випромінювання з широким діапазоном довжин хвиль (від 8·10-6 до 10-12 см). Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні заряджених частинок, найчастіше електронів в електричному полі атомів речовини. Утворені при цьому кванти рентгенівського випромінювання мають різну енергію і утворюють безперервний спектр. Максимальна енергія квантів в такому спектрі дорівнює енергії налітаючих електронів. В рентгенівській трубці (див.) максимальна енергія квантів рентгенівського випромінювання, виражена в килоэлектрон-вольтах, чисельно дорівнює величині прикладеного до трубці напруги, вираженого в киловольтах. При проходженні через речовину, рентгенівське випромінювання взаємодіє з електронами його атомів. Для квантів рентгенівського випромінювання з енергією до 100 кев найбільш характерним видом взаємодії є фотоефект. В результаті такої взаємодії енергія кванта повністю витрачається на виривання електрона з атомної оболонки та повідомлення йому кінетичної енергії. Із зростанням енергії кванта рентгенівського випромінювання ймовірність фотоефекту зменшується і переважаючим стає процес розсіювання квантів на вільних електронах - так званий комптон-ефект. В результаті такої взаємодії також утворюється вторинний електрон і, крім того, вилітає квант з енергією меншою, ніж енергія первинного кванта. Якщо енергія кванта рентгенівського випромінювання перевищує один мегаэлектрон-вольт, може мати місце так званий ефект утворення пар, при якому утворюються електрон і позитрон (див. Атом). Отже, при проходженні через речовину відбувається зменшення енергії рентгенівського випромінювання, тобто зменшення його інтенсивності. Оскільки при цьому з більшою ймовірністю відбувається поглинання квантів низької енергії, то має місце збагачення рентгенівського випромінювання квантами більш високої енергії. Це властивість рентгенівського випромінювання використовують для збільшення середньої енергії квантів, тобто для збільшення його жорсткості. Досягається збільшення жорсткості рентгенівського випромінювання використанням спеціальних фільтрів (див. Рентгенівські фільтри). Рентгенівське випромінювання застосовують для рентгенодіагностики (див. Рентгенологічне дослідження) і рентгенотерапії (див.). См. також іонізуючі Випромінювання.

Рентгенівське випромінювання (синонім: рентгенівські промені, рентгеновы промені) - квантовий електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 250 до 0,025 А (або квантів енергії від 5·10-2 до 5·102 кев). У 1895 р. відкрито В. К. Рентгеном. Суміжну з рентгенівським випромінюванням спектральну область електромагнітного випромінювання, кванти енергії якого перевищують 500 кев, називають гамма-випромінюванням (див.); випромінювання, кванти енергії якого нижче значень 0,05 кев, становить ультрафіолетове випромінювання (див.).
Таким чином, представляючи відносно невелику частину великого спектру електромагнітних випромінювань, в який входять і радіохвилі і видиме світло, рентгенівське випромінювання, як будь-яке електромагнітне випромінювання, що поширюється зі швидкістю світла (в порожнечі близько 300 тис. км/сек) і характеризується довжиною хвилі λ (відстань, на яке випромінювання поширюється за один період коливання). Рентгенівське випромінювання також має низку інших хвильових властивостей (заломлення, інтерференція, дифракція), проте спостерігати їх значно складніше, ніж у більш довгохвильового випромінювання: видимого світла, радіохвиль.

спектри рентгенівського випромінювання
Спектри рентгенівського випромінювання: а1 - суцільний гальмівний спектр при 310 кв; а - суцільний гальмівний спектр при 250 кв, а1 - спектр, фільтрований 1 мм Cu, а2 - спектр, фільтрований 2 мм Cu, б - К-серія лінії вольфраму.

Для генерування рентгенівського випромінювання застосовують рентгенівські трубки (див.), в яких випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів з атомами речовини анода. Розрізняють Н. в. двох видів: гальмівне та характеристичне. Гальмівне Р. в., що має суцільний спектр, подібно звичайному білому світу. Розподіл інтенсивності в залежності від довжини хвилі (рис.) представляється кривою з максимумом; в бік довгих хвиль крива спадає полого, а в бік коротких - круто і обривається при певній довжині хвилі (λ0), званої короткохвильової кордоном суцільного спектру. Величина λ0 обернено пропорційна напрузі на трубці. Гальмівне випромінювання виникає при взаємодії швидких електронів з ядрами атомів. Інтенсивність гальмівного випромінювання прямо пропорційна силі анодного струму, квадрату напруги на трубці і атомному номеру (Z) речовини анода.
Якщо енергія прискорених в рентгенівській трубці електронів перевищує критичну для речовини анода величину (ця енергія визначається критичним для цього речовини напругою на трубці Vкр), то виникає характеристичне випромінювання. Характеристичний спектр - лінійчатий, його спектральні лінії утворюють серії, що позначаються буквами К, L, М, N.
Серія К - найбільш короткохвильова, серія L - більш довгохвильова, серії М і N спостерігаються тільки у важких елементів (Vкр вольфраму для К-серії - 69,3 кв, для L-серії - 12,1 кв). Характеристичне випромінювання виникає наступним чином. Швидкі електрони вибивають атомні електрони з внутрішніх оболонок. Атом збуджується, а потім повертається в основний стан. При цьому електрони із зовнішніх, менш пов'язаних оболонок заповнюють вивільнені у внутрішніх оболонках місця, і випромінюються фотони характеристичного випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій атома у збудженому і основному стані. Ця різниця (а отже, і енергія фотона) має певне значення, характерне для кожного елемента. Це явище лежить в основі рентгеноспектрального аналізу елементів. На малюнку видно лінійчатий спектр вольфраму на фоні суцільного спектра гальмівного випромінювання.
Енергія прискорених в рентгенівській трубці електронів перетворюється майже цілком в теплову (анод при цьому сильно нагрівається), лише незначна частина (близько 1% при напрузі, близькій до 100 кв) перетворюється в енергію гальмівного випромінювання.
Застосування рентгенівського випромінювання в медицині засновано на законах поглинання рентгенівських променів речовиною. Поглинання Р. в. зовсім не залежить від оптичних властивостей речовини поглинача. Безбарвне і прозоре свинцеве скло, що використовується для захисту персоналу рентгенівських кабінетів, практично повністю поглинає рентгенівське випромінювання. Навпаки, аркуш паперу, не прозоре для світла, не послаблює Р. в.
Інтенсивність однорідного (тобто певної довжини хвилі) пучка рентгенівського випромінювання при проходженні через шар поглинача зменшується по експоненціальному закону (е), де е - основа натуральних логарифмів (2,718), а показник експоненти х дорівнює добутку масового коефіцієнта ослаблення (μ/р) см2/г на товщину поглинача в г/см2 (тут р - щільність речовини в г/см3). Ослаблення рентгенівського випромінювання відбувається як за рахунок розсіяння, так і за рахунок поглинання. Відповідно масовий коефіцієнт ослаблення є сумою масових коефіцієнтів поглинання і розсіювання. Масовий коефіцієнт поглинання різко зростає із збільшенням атомного номера (Z) поглинача (пропорційно Z3 або Z5) і зі збільшенням довжини хвилі (пропорційно λ3). Зазначена залежність від довжини хвилі спостерігається в межах смуг поглинання, на кордонах яких коефіцієнт виявляє скачки.
Масовий коефіцієнт розсіювання зростає із збільшенням атомного номера речовини. При λ≥0,ЗÅ коефіцієнт розсіювання від довжини хвилі не залежить, при λ<0,ЗÅ він зменшується зі зменшенням λ.
Зменшення коефіцієнтів поглинання і розсіювання із зменшенням довжини хвилі обумовлює зростання проникаючої здатності рентгенівського випромінювання. Масовий коефіцієнт поглинання для кісток [поглинання в основному обумовлено Са3 (РО4)2] майже у 70 разів більше, ніж для м'яких тканин, де поглинання в основному обумовлено водою. Це пояснює, чому на рентгенограмах так різко виділяється тінь кісток на тлі м'яких тканин.
Поширення неоднорідного пучка рентгенівського випромінювання через будь-яку середу поряд із зменшенням інтенсивності супроводжується зміною спектрального складу, зміною якості випромінювання: довгохвильова частина спектра поглинається більшою мірою, ніж короткохвильова, випромінювання стає більш однорідним. Фільтрування довгохвильовій частині спектру дозволяє при рентгенотерапії вогнищ, глибоко розташованих в тілі людини, поліпшити співвідношення між глибинної та поверхневої дозами (див. Рентгенівські фільтри). Для характеристики якості неоднорідного пучка рентгенівських променів використовується поняття «шар половинного ослаблення (Л)» - шар речовини, що послаблює випромінювання наполовину. Товщина цього шару залежить від напруги на трубці, товщини і матеріалу фільтра. Для вимірювання шарів половинного ослаблення використовують целофан (до енергії 12 кев), алюміній (20-100 кев), мідь (60-300 кев), свинець і мідь (>300 кев). Для рентгенівських променів, що генеруються при напругах 80-120 кв, 1 мм міді з фільтруючої здатності еквівалентний 26 мм алюмінію, 1 мм свинцю - 50,9 мм алюмінію.
Поглинання та розсіяння рентгенівського випромінювання зумовлена його корпускулярними властивостями; Р. в. взаємодіє з атомами як потік корпускул (часток) - фотонів, кожний з яких має певну енергію (назад пропорційна довжині хвилі Р. в.). Інтервал енергій рентгенівських фотонів 0,05-500 кев.
Поглинання Р. в. обумовлено фотоелектричним ефектом: поглинання фотона електронною оболонкою супроводжується вириванням електрона. Атом збуджується і, повертаючись в основний стан, випускає характеристичне випромінювання. Вилітає фотоэлектрон забирає всю енергію фотона (за вирахуванням енергії зв'язку електрона в атомі).
Розсіювання рентгенівського випромінювання обумовлена електронами розсіює середовища. Розрізняють класичне розсіювання (довжина хвилі випромінювання не змінюється, але змінюється напрям поширення і розсіяння із зміною довжини хвилі - комптон-ефект (довжина хвилі розсіяного випромінювання більше, ніж падаючого). В останньому випадку фотон веде себе як рухається кулька, а розсіяння фотонів відбувається, за образним висловом Комнтона, на зразок гри на більярді фотонами і електронами: стикаючись з електроном, фотон передає йому частину своєї енергії і розсіюється, вже володіючи меншою енергією (відповідно довжина хвилі розсіяного випромінювання збільшується), електрон вилітає з атома з енергією віддачі (ці електрони називають комптон-електронами, або електронами віддачі). Поглинання енергії рентгенівського випромінювання відбувається при утворенні вторинних електронів (комптон - і фотоелектронів) і передачі енергії. Енергія Р. в., передана одиниці маси речовини, визначає поглинену дозу Р. в. Одиниця цієї дози 1 радий відповідає 100 ерг/р. За рахунок поглиненої енергії в речовині поглинача протікає ряд вторинних процесів, що мають важливе значення для дозиметрії Р. в., так як саме на них ґрунтуються методи вимірювання Р. в. (див. Дозиметрія).
Всі гази та багато рідини, напівпровідники і діелектрики під дією рентгенівського випромінювання збільшують електричну провідність. Провідність виявляють кращі ізоляційні матеріали: парафін, слюда, гума, бурштин. Зміна провідності обумовлено іонізацією середовища, тобто поділом нейтральних молекул на позитивні та негативні іони (іонізацію виробляють вторинні електрони). Іонізація в повітрі використовується для визначення експозиційної дози рентгенівського випромінювання (дози в повітрі), яка вимірюється в рентгенах (див. Дози іонізуючих випромінювань). При дозі в 1 р поглинена доза в повітрі дорівнює 0,88 радий.
Під дією рентгенівського випромінювання в результаті збудження молекул речовини (і при рекомбінації іонів) порушується в багатьох випадках видиме світіння речовини. При великих інтенсивностях Р. в. спостерігається видиме світіння повітря, паперу, парафіну тощо (виняток становлять метали). Найбільший вихід видимого світла дають такі кристалічні люмінофори, як Zn·CdS·Ag-фосфор та інші, що застосовуються для екранів при рентгеноскопії.
Під дією рентгенівського випромінювання в речовині можуть проходити також різні хімічні процеси: розкладання галоїдних сполук срібла (фотографічний ефект, що використовується при рентгенографії), розкладання води і водних розчинів перекису водню, зміна властивостей целулоїду (помутніння і виділення камфори), парафіну (помутніння і відбілювання).
В результаті повного перетворення вся поглинена хімічно інертною речовиною енергія Р. в. перетворюється в теплоту. Вимірювання дуже малих кількостей теплоти вимагає високочутливих методів, зате є основним способом абсолютних вимірювань Р. в.
Вторинні біологічні ефекти від впливу рентгенівського випромінювання є основою медичної рентгенотерапії (див.). Р. в., кванти яких складають 6-16 кев (ефективні довжини хвиль від 2 до 5 Å), що практично повністю поглинаються шкірним покривом тканини людського тіла; вони називаються прикордонними променями, або іноді промені Буккі (див. промені Буккі). Для глибокої рентгенотерапії застосовується жорстке фільтроване випромінювання з ефективними квантами енергії від 100 до 300 кев.
Біологічна дія Р. в. має враховуватися не тільки при рентгенотерапії, але і при рентгенодіагностиці, а також у всіх інших випадках контакту з Р. в., що потребують застосування протипроменевий захисту (див.).