Что такое рентгеновские лучи?

История открытия X-лучей

Рентгеновские лучи открыл в 1895 году немец Вильгельм Рентген. В конце 19 века ученые занимались исследованием газового разряда при малом давлении. При этом в газоразрядной трубке создавались потоки электронов, движущихся с большой скоростью. Исследованием этих лучей занялся и В.Рентген.

Он заметил, что если поместить рядом с газоразрядной трубкой фотопластинку, то она будет засвечена, даже если её завернуть в черную бумагу. Продолжая ставить опыты, Рентген обернул газоразрядную трубку бумагой смоченной в растворе платиносинеродистого бария. Бумага начала светиться.

Рентген был любопытный, и между бумагой и трубкой поместил свою руку, в надежде, наверное, на то, что и она начнет светиться, но этого не произошло. Зато на бумаге экране остались видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний кисти руки. Рентген предположил, что это какое-то неизвестное излучение, которое обладает очень сильным проникающим эффектом.

Он назвал эти лучи Х-лучами. Впоследствии эти лучи стали называть рентгеновскими.

Рентгено-спектральный анализ

При бомбардировке электронами какого-либо вещества возникают не только
лучи, связанные с торможением электронов, но и излучение определенных
длин волн. Это излучение состоит из нескольких групп линий, называемых
сериями. Для атомов каждого вещества длины всех этих волн характерны и
определенны. Поэтому самое излучение называется характеристическим.
Чтобы установить наличие какого-либо элемента в химическом соединении,
достаточно измерить длины волн характеристических лучей, испускаемых при
бомбардировке его атомов электронами (или жесткими рентгеновскими лучами).
Таким образом, при помощи рентгеновских лучей можно провести химический
анализ, то есть определить состав атомов изучаемого вещества.
Установка для рентгено-спектрального анализа состоит из двух основных
частей: разборной трубки и особого прибора — спектрографа. На анод рентгеновской
трубки наносится анализируемое вещество. При бомбардировке в вакууме этого
вещества электронами возбуждается характеристическое рентгеновское
излучение его атомов. Длины волн различных линий характеристических рентгеновских
лучей измеряются с помощью спектрографа. В конструкции автора этот прибор
состоит из следующих основных частей: щели, выделяющей узкий пучок
рентгеновских лучей; кристалла, за счет отражения от которого получается
рентгеновский спектр; кассеты для рентгенопленки, на которой фиксируются линии
спектра. Далее, спектрограф снабжен еще механизмом для качания кристалла,
благодаря чему рентгеновские лучи падают на него под разными углами и
разлагаются в спектр.
Получив рентгеновский спектр, определяют для всех его линий угол
скольжения лучей относительно отражающей плоскости кристалла. Это позволяет
математически вычислить длину волны рентгеновских лучей каждой из линий.
Затем по таблицам находят, каким элементам соответствуют линии с измеренной
длиной волны. Таким образом выявляются элементы вещества, испускающего
рентгеновские лучи, и проводится его качественный рентгено-спектральный
анализ. Вполне возможно также осуществить количественный рентгено-спектральный
анализ, то есть установить количественное соотношение элементов, из которых
состоит исследуемый предмет.
Рентгено-структурный и рентгено-спектральный анализы являются
эффективными способами изучения атомной структуры и химического состава
вещества, особенно в тех случаях, когда неприменимы другие физико-химические
методы. Так, например, только благодаря применению рентгенографии удалось
открыть структурные формулы кремнекислородных соединений, лежащих в
основе силикатов.

Большой толковый словарь

РЕНТГЕН, -а; м. 1. Разг. =Рентгеновские лучи. Лечение рентгеном. Просвечивать рентгеном. // Просвечивание этими лучами. Назначить больного на р. Р. показал изменение костной ткани. 2. Разг. Аппарат для просвечивания этими лучами. Включить р. Поломка рентгена. 3. Спец. Внесистемная единица измерения рентгеновского или гамма-излучений. Уровень радиации составил тридцать рентгенов в час. ●По имени немецкого физика В.К. Рентгена (1845 — 1923). РЕНТГЕНОВ, -а, -о. ◊ Рентгеновы лучи. =Рентгеновские лучи. РЕНТГЕНОВСКИЙ, -ая, -ое. Рентгеновские лучи; рентгеновское излучение. Невидимые лучи, являющиеся короткими электромагнитными волнами, способными проникать через непрозрачные предметы. Рентгеновский, -ая, -ое. Сделанный при помощи таких лучей. Р. снимок. // Использующий в своей работе такие лучи. Р. микроскоп. // Предназначенный для размещения рентгена (2 зн.). Р. кабинет. РЕНТГЕНОГРАММА, -ы; ж. Изображение на фотопластинке или плёнке, полученное с помощью рентгеновских лучей. Р. показала затемнение в лёгких. РЕНТГЕНОГРАФИЯ, -и; ж. Исследование внутреннего строения непрозрачных тел при помощи просвечивания их рентгеновскими лучами и фиксирования прошедших лучей на фотоплёнке. Рентгенографический, -ая, -ое. Р-ое исследование. Р. центр. РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА, -и; ж. Распознавание заболеваний тканей и органов с помощью рентгеновских лучей. РЕНТГЕНОЛОГ, -а; м. Врач — специалист по рентенологии и рентгенотерапии. РЕНТГЕНОЛОГИЯ, -и; ж. Раздел медицины, изучающий применение с диагностическими и лечебными целями рентгеновских лучей. Рентгенологический, -ая, -ое. Р-ое исследование. Р. кабинет. РЕНТГЕНОСКОПИЯ, -и; ж. Просвечивание рентгеновскими лучами тел и рассматривание на особом экране их теневого изображения для исследования их внутреннего строения. Р. желудка. Сделать рентгеноскопию. Рентгеноскопический, -ая, -ое. Р. метод. Р. аппарат. РЕНТГЕНОТЕРАПИЯ и , -и; ж. Использование рентгеновских лучей для лечения опухолевых и других заболеваний. РЕНТГЕНОТЕХНИК, -а; м. Специалист по обслуживанию рентгеновского аппарата, рентгенотехники. Рентегенотехнический (см.). РЕНТГЕНОТЕХНИКА, -и; ж. Совокупность методов и технических средств для использования рентгеновского излучения в медицине, науке и технике. РЕНТГЕНОТЕХНИЧЕСКИЙ, -ая, -ое. к Рентгенотехник и Рентгенотехника. Р-ая лаборатория.

Что такое рентгеновское излучение?

Рентгеновские лучи являются мощными волнами электромагнитной энергии. Волны, как и те, которые находятся в океане, – это движение энергии. Когда вы хлопаете в ладоши, энергия в этом случае звучит, начинается у источника. Звук проходит по воздуху до тех пор, пока он не достигнет вашей барабанной перепонки и не зарегистрируется как звук. Волны, которые проходят через физическую среду, подобно воздуху и воде, называются механическими волнами.

Электромагнитные (ЭМ) волны не требуют перемещения физической среды, поэтому они могут существовать как на Земле, так и в космосе, где нет воздуха для прохождения даже звуковых волн. EM-волны организованы по спектру в соответствии с расстоянием между каждой волной и частотой волн в секунду, измеренными в герцах (Гц). Волны с самыми низкими частотами и наибольшие расстояния между волнами дают относительно малое количество энергии. Радиоволны, например, имеют самые низкие частоты различных категорий волн на электромагнитном спектре, а гамма-лучи, созданные ядерными взрывами, имеют самые высокие частоты.

Рентгеновские лучи представляют собой полосу электромагнитных волн непосредственно перед гамма-лучами на ЭМ-спектре. Они находятся в дальнем конце и, наряду с гамма-лучами и некоторыми ультрафиолетовыми лучами, показаны как повреждающие ДНК. Как мы знаем из травм, полученных Пьером, Марией и их дочерью Ириной во время их рентгеновских экспериментов, рентгеновские лучи очень сильны сами по себе. Приблизительно один квинтиллион волн в секунду – это 1 000 000 000 000 000 000 Гц – мы думаем о них как о «лучах» энергии, а не о волнах.

Роль закона Мозли в атомной физике

Существуют небольшие отклонения от строгой линейной зависимости, выражаемой законом Мозли. Они связаны, во-первых, с особенностями порядка заполнения электронных оболочек у некоторых элементов, и, во-вторых, с релятивистскими эффектами движения электронов тяжелых атомов. Кроме того, при изменении количества нейтронов в ядре (так называемом изотопическом сдвиге) положение линий может слегка меняться. Этот эффект дал возможность детально изучить атомную структуру.

Значение закона Мозли чрезвычайно велико. Последовательное применение его к элементам периодической системы Менделеева установило закономерность увеличения порядкового номера соответственно каждому небольшому сдвигу характеристических максимумов. Это способствовало прояснению вопроса о физическом смысле порядкового номера элементов. Величина Z – это не просто номер: это положительный электрический заряд ядра, представляющий собой сумму единичных положительных зарядов частиц, входящих в его состав. Правильность размещения элементов в таблице и наличие в ней пустых позиций (тогда они еще существовали) получили мощное подтверждение. Была доказана справедливость периодического закона.

Закон Мозли, помимо этого, стал основой, на которой возникло целое направление экспериментальных исследований – рентгеновская спектрометрия.

Основное отличие — рентгеновские лучи против гамма-лучей

Как рентгеновские лучи, так и гамма-лучи относятся к волнам в электромагнитном спектре. Из-за принципа дуальности волны-частицы, эти волны могут также рассматриваться как «частицы», называемые фотонами. Рентгеновские лучи обычно имеют более длинные длины волн, чем гамма, но это не всегда так: иногда волны с одинаковыми длинами волн могут упоминаться как «рентгеновские лучи» или «гамма». Не существует единого мнения о том, как точно провести различие между рентгеновскими и гамма-лучами. Тем не менее, они часто дифференцируются по происхождению. В этом смысле главное отличие между рентгеновскими и гамма-лучами является то, что гамма-лучи образуются при ядерном распаде ядрами атомов, в то время как Рентгеновские лучи производятся электронами, Например, в медицинских целях рентгеновские лучи создаются путем ускорения некоторых электронов и последующего их столкновения с металлической мишенью.

Виды рентгеновского излучения. Тормозное излучение

Для получения лучей используют рентгеновские трубки, представляющие собой стеклянные вакуумные баллоны с расположенными внутри электродами. Разность потенциалов на электродах нужна очень высокая – до сотен киловольт. На вольфрамовом катоде, подогреваемом током, происходит термоэлектронная эмиссия, то есть с него испускаются электроны, которые, ускоряясь разностью потенциалов, бомбардируют анод. В результате их взаимодействия с атомами анода (иногда его именуют антикатодом) рождаются фотоны рентгеновского диапазона.

В зависимости от того, какой процесс приводит к рождению фотона, различают такие виды рентгеновского излучения, как тормозное и характеристическое.

Электроны могут, встречаясь с анодом, тормозиться, то есть терять энергию в электрических полях его атомов. Эта энергия излучается в форме рентгеновских фотонов. Такое излучение называется тормозным.

Понятно, что условия торможения будут различаться для отдельных электронов. Это значит, что в рентгеновское излучение преобразуются разные количества их кинетической энергии. В результате тормозное излучение включает фотоны разных частот и, соответственно, длин волн. Поэтому спектр его является сплошным (непрерывным). Иногда по этой причине его еще называют «белым» рентгеновским излучением.

Энергия тормозного фотона не может превышать кинетическую энергию порождающего его электрона, так что максимальная частота (и наименьшая длина волны) тормозного излучения соответствует наибольшему значению кинетической энергии налетающих на анод электронов. Последняя же зависит от приложенной к электродам разности потенциалов.

Существует еще один тип рентгеновского излучения, источником которого является иной процесс. Это излучение именуют характеристическим, и мы остановимся на нем подробнее.

История

Получение рентгеновского изображения с помощью раннего аппарата с трубкой Крукса , конец 1800-х годов.

Истоки и можно проследить до 8 ноября 1895 года, когда немецкий профессор физики Вильгельм Конрад Рентген обнаружил рентгеновский луч и заметил, что, хотя он может проходить через ткани человека, он не может проходить через кости или металл. Рентген назвал излучение «X», чтобы указать, что это был неизвестный тип излучения. За свое открытие он получил первую Нобелевскую премию по физике .

Существуют противоречивые сведения о его открытии, потому что Рентген сожгли свои лабораторные записи после его смерти, но это вероятная реконструкция его биографов: Рентген исследовал катодные лучи, используя флуоресцентный экран, окрашенный платиноцианидом бария, и трубку Крукса, в которую он завернул черный картон, чтобы защитить его флуоресцентное свечение. Он заметил слабое зеленое свечение от экрана примерно в 1 метре. Рентген понял, что некоторые невидимые лучи, исходящие из трубки, проходят через картон, заставляя экран светиться: они проходят через непрозрачный объект, воздействуя на пленку за ним.

Первая рентгенограмма

Рентген открыл для себя медицинское применение рентгеновских лучей, когда сделал снимок руки своей жены на фотопластинке, образованной рентгеновскими лучами. Фотография руки его жены была первой фотографией части человеческого тела с использованием рентгеновских лучей. Когда она увидела картинку, она сказала: «Я видела свою смерть».

Впервые рентгеновские лучи в клинических условиях использовал Джон Холл-Эдвардс в Бирмингеме, Англия, 11 января 1896 года, когда он сделал рентгенографию иглы, застрявшей в руке своего коллеги. 14 февраля 1896 года Холл-Эдвардс также стал первым, кто использовал рентгеновские лучи в хирургической операции.

В США впервые был получен медицинский рентгеновский снимок, полученный с помощью газоразрядной трубки конструкции Ивана Пулюя . В январе 1896 года, прочитав открытие Рентгена, Фрэнк Остин из Дартмутского колледжа проверил все газоразрядные трубки в физической лаборатории и обнаружил, что только трубка Пулюя дает рентгеновское излучение. Это было результатом того, что Пулюй включил в пробирку наклонную «мишень» из слюды , которая использовалась для удерживания образцов флуоресцентного материала. 3 февраля 1896 года Гилман Фрост, профессор медицины колледжа, и его брат Эдвин Фрост, профессор физики, обнажили запястье Эдди Маккарти, которого Гилман лечил несколькими неделями ранее от перелома, рентгеновским снимкам и собрали полученное изображение сломанной кости на желатиновых фотопластинках, полученное от Говарда Лангилла, местного фотографа, также интересующегося работами Рентгена.

Рентген начали использовать в диагностике очень рано; например, Алан Арчибальд Кэмпбелл-Суинтон открыл радиографическую лабораторию в Соединенном Королевстве в 1896 году, еще до того, как была обнаружена опасность ионизирующего излучения. Действительно, Мария Кюри настаивала на использовании рентгенографии для лечения раненых солдат во время Первой мировой войны. Первоначально рентгенографию в больницах проводили многие сотрудники, включая физиков, фотографов, врачей, медсестер и инженеров. Медицинская специальность радиология выросла на протяжении многих лет вокруг новых технологий. Когда были разработаны новые диагностические тесты, для рентгенологов было естественным пройти обучение и принять эту новую технологию. Рентгенологи теперь проводят рентгеноскопию , компьютерную томографию , маммографию , ультразвук , ядерную медицину и магнитно-резонансную томографию . Хотя словарь неспециалистов может дать определение рентгенографии довольно узко, как «получение рентгеновских снимков», это долгое время было только частью работы «рентгеновских отделений», рентгенологов и радиологов. Первоначально рентгенограммы были известны как рентгенограммы, в то время как Скиаграфер (от древнегреческих слов , означающих «тень» и «писатель») использовался примерно до 1918 года для обозначения рентгенолога . Японский термин для обозначения рентгенограммы レ ン ト ゲ ン (рентоген) имеет общую этимологию с оригинальным английским термином.