Методы рассеяния рентгеновских лучей — x-ray scattering techniques

Физические принципы рентгенодиагностики и рент генотерапии. Понятие о рентгеновской компьютерной томографии.

Одно
из наиболее важных медицинских применений
рентгеновского
излучения — просвечивание внутренних
органов с диагностической
целью (рентгенодиагностика).

Для
диагностики используют фотоны с энергией
порядка 60
— 120
кэВ.
При этой энергии массовый коэффициент
ослабления в основном определяется
фотоэффектом. Его значение обратно
пропорционально
третьей степени энергии фотона
(пропорционально 3),
в чем
проявляется большая проникающая
способность жесткого из­лучения,
и пропорционально третьей степени
атомного номера вещества-поглотителя:

где
k—
коэффициент пропорциональности.

Существенное
различие поглощения рентгеновского
излучения разными тканями позволяет в
теневой проекции видеть изображения
внутренних органов тела человека.

Рентгенодиагностику
используют в двух вариантах: рентгеноскопия—
изображение рассматривают на
рентгенолюминесцирующем
экране, рентгенография—
изображение фиксируется на
фотопленке.

Если
исследуемый орган и окружающие ткани
примерно одинаково
ослабляют рентгеновское излучение, то
применяют специальные
контрастные вещества. Яркость изображения
на экране и время экспозиции на фотопленке
зависят от интенсивности рентгеновского
излучения. Если его используют для
диагностики, то интенсивность не может
быть сделана
большой, чтобы не вызвать нежелательных
биологических
последствий. Поэтому имеется ряд
технических приспособлений,
улучшающих изображение при малых
интенсивностях рентгеновского излучения.
При массовом обследовании населения
широко используется вариант рентгенографии
— флюорография,
при
которой на чувствительной малоформатной
пленке фиксируется
изображение с большого рентгенолюминесцирующего
экрана.

Интересным
и перспективным вариантом рентгенографии
является метод, называемый рентгеновской
томографией,
и
его «машинный
вариант» — компьютерная
томография.

Обычная
рентгенограмма охватывает большой
участок тела, причем различные органы
и ткани затеняют друг друга. Можно
избежать
этого, если периодически совместно в
противоположных
направлениях перемещать рентгеновскую
трубку и
фотопленку относительно объекта
исследования. Т.о. получается
послойное рентгеновское изображение
тела. Отсюда и
название — томография(послойная
запись).

С
лечебной целью рентгеновское излучение
применяют главным
образом для уничтожения злокачественных
образований (рентгенотерапия).

2.2.2 Рассеяние рентгеновских лучей атомами

Рассеяние
рентгеновских лучей атомами отличается
от рассеяния на свободном электроне
тем, что на внешней оболочке атома может
быть Z-электронов, каждый из которых,
подобно свободному электрону, испускает
вторичное когерентное излучение.
Излучение, рассеянное электронами
атомов, определяется как суперпозиция
этих волн, т.е. происходит внутриатомная
интерференция. Амплитуда рентгеновских
лучей, рассеянных одним атомом А_а,
имеющим Z-электронов, равна

А_a
= A_э
F (5)

где
F – структурный фактор.

Квадрат
структурной амплитуды, указывает во
сколько раз интенсивность рассеянного
излучения атомом больше интенсивности
рассеянного излучения одним электроном
:

(6)

Атомная
амплитуда I_a
определяется
распределением электронов в атоме
вещества, анализируя величину атомной
амплитуды, можно вычислить распределение
электронов в атоме.

51) Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада. Основной закон радиоактивного распада.

Радиоактивность
—способность
некоторых атомных ядер самопроизвольно
(спонтанно) превращаться в другие ядра
с испусканием частиц.

Атомные
ядра состоят из протонов и нейтронов,
которые имеют обобщающее название
— нуклоны.Количество
протонов в ядре определяет химические
свойства атома и обозначается Z
(этопорядковый
номерхимического
элемента). Количество нуклонов в ядре
называют массовым
числоми
обозначают А. Ядра с одинаковым порядковым
номером и различными массовыми числами
называютсяизотопами.Все
изотопы одного химического элемента
имеютодинаковыехимические
свойства. Физические свойства изотопов
могут различаться весьма сильно. Для
обозначения изотопов используют символ
химического элемента с двумя индексами: A_ZХ.
Нижний индекс — порядковый номер, верхний
— массовое число. Часто нижний индекс
опускают, так как на него указывает сам
символ элемента. Например, пишут 14С
вместо 14₆С.

Способность
ядра к распаду зависит от его состава.
У одного и того же элемента могут быть
и стабильный, и радиоактивный изотопы.
Например, изотоп углерода 12С
стабилен, а изотоп 14С
радиоактивен.

Радиоактивный
распад — явление статистическое.
Способность изотопа к распаду
характеризует постоянная
распадаλ.

Постоянная
распада—
вероятность того, что ядро данного
изотопа распадется за единицу времени.

N=No
exp (-ƛt)

Где
No-исходное
число радиоактивных ядер, N-их
число, оставшееся к моменту времени t,
ƛ-постоянная распада

основной закон
радиоактивного распада

.
В процессе изучения явления радиоактивности
были обнаружены 3 вида лучей, испускаемых
радиоактивными ядрами, которые получили
названия α-, β- и γ-лучей. Позже было
установлено, что α- и β-частицы — продукты
двух различных видов радиоактивного
распада, а γ-лучи являются побочным
продуктом этих процессов. Кроме того,
γ-лучи сопровождают и более сложные
ядерные превращения, которые здесь не
рассматриваются.

Альфа-распадсостоит
в самопроизвольном превращении ядер с
испусканиемα-частиц
(ядра гелия).

Бета-распадсостоит
в самопроизвольном превращении ядер с
испусканием электронов (или позитронов).

Гамма-излучениеимеет
электромагнитную природу и представляет
собой фотоны с длиной волныλ
≤ 10-10м.

Гамма-излучение
не является самостоятельным видом
радиоактивного распада. Излучение этого
типа почти всегда сопровождает не только
α-распад и β-распад, но и более сложные
ядерные реакции. Оно не отклоняется
электрическим и магнитным полями,
обладает относительно слабой ионизирующей
и очень большой проникающей способностями.

51) Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада. Основной закон радиоактивного распада.

Радиоактивность
—способность
некоторых атомных ядер самопроизвольно
(спонтанно) превращаться в другие ядра
с испусканием частиц.

Атомные
ядра состоят из протонов и нейтронов,
которые имеют обобщающее название
— нуклоны.Количество
протонов в ядре определяет химические
свойства атома и обозначается Z
(этопорядковый
номерхимического
элемента). Количество нуклонов в ядре
называют массовым
числоми
обозначают А. Ядра с одинаковым порядковым
номером и различными массовыми числами
называютсяизотопами.Все
изотопы одного химического элемента
имеютодинаковыехимические
свойства. Физические свойства изотопов
могут различаться весьма сильно. Для
обозначения изотопов используют символ
химического элемента с двумя индексами: A_ZХ.
Нижний индекс — порядковый номер, верхний
— массовое число. Часто нижний индекс
опускают, так как на него указывает сам
символ элемента. Например, пишут 14С
вместо 14₆С.

Способность
ядра к распаду зависит от его состава.
У одного и того же элемента могут быть
и стабильный, и радиоактивный изотопы.
Например, изотоп углерода 12С
стабилен, а изотоп 14С
радиоактивен.

Радиоактивный
распад — явление статистическое.
Способность изотопа к распаду
характеризует постоянная
распадаλ.

Постоянная
распада—
вероятность того, что ядро данного
изотопа распадется за единицу времени.

N=No
exp (-ƛt)

Где
No-исходное
число радиоактивных ядер, N-их
число, оставшееся к моменту времени t,
ƛ-постоянная распада

основной закон
радиоактивного распада

.
В процессе изучения явления радиоактивности
были обнаружены 3 вида лучей, испускаемых
радиоактивными ядрами, которые получили
названия α-, β- и γ-лучей. Позже было
установлено, что α- и β-частицы — продукты
двух различных видов радиоактивного
распада, а γ-лучи являются побочным
продуктом этих процессов. Кроме того,
γ-лучи сопровождают и более сложные
ядерные превращения, которые здесь не
рассматриваются.

Альфа-распадсостоит
в самопроизвольном превращении ядер с
испусканиемα-частиц
(ядра гелия).

Бета-распадсостоит
в самопроизвольном превращении ядер с
испусканием электронов (или позитронов).

Гамма-излучениеимеет
электромагнитную природу и представляет
собой фотоны с длиной волныλ
≤ 10-10м.

Гамма-излучение
не является самостоятельным видом
радиоактивного распада. Излучение этого
типа почти всегда сопровождает не только
α-распад и β-распад, но и более сложные
ядерные реакции. Оно не отклоняется
электрическим и магнитным полями,
обладает относительно слабой ионизирующей
и очень большой проникающей способностями.

Характеристики

Элементарные возбуждения в системах конденсированного состояния, которые можно измерить с помощью RIXS. Указанные шкалы энергий относятся к оксидам переходных металлов.

По сравнению с другими методами рассеяния, RIXS имеет ряд уникальных особенностей: он охватывает большое фазовое пространство рассеяния, зависит от поляризации, зависит от элемента и орбиты , чувствителен к объему и требует только небольших объемов образца.

В RIXS измеряется как энергия, так и изменение импульса рассеянного фотона. Сравнивая энергию нейтрона, электрона или фотона с длиной волны порядка соответствующего масштаба длины в твердом теле — как это задается уравнением де Бройля, учитывая, что межатомный интервал решетки составляет порядка Ангстремов — это происходит из релятивистской энергии -Импульсное соотношение, что рентгеновский фотон имеет больше энергии, чем нейтрон или электрон. Таким образом, фазовое пространство рассеяния (диапазон энергий и импульсов, которые могут передаваться в случае рассеяния) рентгеновских лучей не имеет себе равных. В частности, высокоэнергетические рентгеновские лучи несут импульс, который сравним с обратным шагом решетки типичных систем конденсированного состояния, так что, в отличие от экспериментов по комбинационному рассеянию света с видимым или инфракрасным светом, RIXS может исследовать полную дисперсию низкоэнергетических возбуждений в твердых телах. .

RIXS может использовать поляризацию фотона: природу возбуждений, создаваемых в материале, можно распутать с помощью поляризационного анализа падающих и рассеянных фотонов, что позволяет с помощью различных правил отбора охарактеризовать симметрию и природу возбуждений.

RIXS зависит от элемента и орбиты : химическая чувствительность возникает при настройке на края поглощения различных типов атомов в материале. RIXS может даже различать один и тот же химический элемент на участках с неэквивалентными химическими связями, с разными валентностями или в неэквивалентных кристаллографических позициях, если края поглощения рентгеновского излучения в этих случаях различимы. Кроме того, тип информации об электронных возбуждениях исследуемой системы может быть изменен путем настройки на разные границы рентгеновского излучения (например, K, L или M) одного и того же химического элемента, где фотон возбуждает остовные электроны в разные валентные орбитали.

RIXS является объемно- чувствительным : глубина проникновения резонансных рентгеновских фотонов зависит от материала и геометрии рассеяния, но обычно составляет порядка нескольких микрометров в режиме жесткого рентгеновского излучения (например, на K-краях переходного металла ) и порядка 0,1 микрометра в режиме мягкого рентгеновского излучения (например, L-края переходного металла ).

RIXS требует только небольших объемов образцов : взаимодействие фотона с веществом относительно велико , по сравнению, например, с силой взаимодействия нейтрона с веществом . Это делает возможным применение RIXS на образцах очень небольшого объема, тонких пленках, поверхностях и нанообъектах, а также на объемных монокристаллах или порошковых образцах.

В принципе, RIXS может исследовать очень широкий класс собственных возбуждений изучаемой системы, если возбуждения в целом заряжены нейтрально. Это ограничение возникает из-за того, что в RIXS рассеянные фотоны не добавляют и не удаляют заряд изучаемой системы. Это означает, что в принципе RIXS имеет конечное поперечное сечение для исследования зависимости энергии, импульса и поляризации любого типа электронно-дырочного возбуждения: например, континуум электрон-дырка и экситоны в зонных металлах и полупроводниках, перенос заряда и кристаллическое поле. возбуждения в сильно коррелированных материалах , возбуждения решетки ( фононы ), орбитальные возбуждения и т. д. Кроме того, магнитные возбуждения также разрешены по симметрии в RIXS, потому что угловой момент, который несут фотоны, в принципе может быть передан спиновому моменту электрона . Более того, было теоретически показано, что RIXS может исследовать квазичастицы Боголюбова в высокотемпературных сверхпроводниках и пролить свет на природу и симметрию электрон-электронного спаривания сверхпроводящего состояния.

2.2.1 Рассеяние рентгеновских лучей электроном

Рентгеновские
лучи, являющиеся электромагнитной
волной, направленные на исследуемый
объект, воздействуют на какой-либо
электрон, слабо связанный с ядром, и
приводят его в колебательное движение.
При колебательном движении заряженной
частицы происходит излучение
электромагнитных волн. Их частота равна
частоте колебаний заряда, а, следовательно,
частоте колебаний поля в пучке «первичных»
рентгеновских лучей. Это когерентное
излучение. Оно играет основную роль при
изучении структуры, так как именно оно
участвует в создании картины интерференции
. Итак, под воздействием рентгеновских
лучей колеблющийся электрон испускает
электромагнитное излучение, таким
образом «рассеивая» рентгеновские
лучи. Это и есть дифракция рентгеновских
лучей. При этом часть полученной от
рентгеновских лучей энергии электрон
поглощает, а часть отдает в виде
рассеянного луча. Эти рассеянные
различными электронами лучи интерферируют
между собой, то есть взаимодействуют,
складываются и могут не только усиливать,
но и ослаблять друг друга, а также гасить
(законы погасания играет важную роль в
рентгеноструктурном анализе). Следует
помнить, что лучи, создающие интерференционную
картину, и рентгеновские лучи –
когерентны, т.е. рассеяние рентгеновских
лучей происходит без изменения длины
волны.