X-zračenje. Tajanstvene zrake koje su promijenile svijet

Sadržaj:

X-zračenje. Tajanstvene zrake koje su promijenile svijet
X-zračenje. Tajanstvene zrake koje su promijenile svijet
Anonim

U 19. stoljeću radijacija nevidljiva ljudskom oku, sposobna prolaziti kroz meso i druge materijale, djelovala je kao nešto potpuno fantastično. Sada se rendgenske zrake široko koriste za stvaranje medicinskih slika, provođenje terapije zračenjem, analizu umjetničkih djela i rješavanje problema nuklearne energije. Kako je otkriveno rentgensko zračenje i kako pomaže ljudima - doznajemo zajedno s fizičarem Aleksandrom Nikolajevičem Dolgovim.

Otkriće Roentgena

Od kraja 19. stoljeća znanost je počela igrati temeljno novu ulogu u oblikovanju slike svijeta. Prije jednog stoljeća aktivnosti znanstvenika bile su amaterske i privatne prirode. Međutim, do kraja 18. stoljeća, kao rezultat znanstvene i tehnološke revolucije, znanost se pretvorila u sustavnu aktivnost u kojoj je svako otkriće postalo moguće zahvaljujući doprinosu mnogih stručnjaka. Počeli su izlaziti istraživački instituti, periodični znanstveni časopisi, pojavila se konkurencija i borba za priznavanje autorskih prava za znanstvena dostignuća i tehničke inovacije. Svi ti procesi odvijali su se u Njemačkom Carstvu, gdje je do kraja 19. stoljeća Kaiser poticao znanstvena dostignuća koja su povećala ugled zemlje na svjetskoj sceni.

Jedan od znanstvenika koji je u tom razdoblju radio s entuzijazmom bio je profesor fizike, rektor Sveučilišta u Würzburgu Wilhelm Konrad Roentgen. 8. studenog 1895. ostao je do kasno u laboratoriju, što se često događalo, i odlučio je provesti eksperimentalno istraživanje električnog pražnjenja u staklenim vakuumskim cijevima. Zatamnio je sobu i zamotao jednu cijev u neprozirni crni papir kako bi lakše uočio optičke pojave koje prate pražnjenje. Na svoje iznenađenje, Roentgen je na obližnjem ekranu ugledao fluorescentnu traku prekrivenu kristalima barij -cijanoplatinita. Malo je vjerojatno da bi znanstvenik tada mogao zamisliti da je na rubu jednog od najvažnijih znanstvenih otkrića svog vremena. Iduće godine bit će napisano preko tisuću publikacija o rendgenskim snimkama, liječnici će odmah izum uzeti u upotrebu, zahvaljujući njemu će se u budućnosti otkriti radioaktivnost i pojavit će se novi smjerovi znanosti.

Image
Image

Crookesova cijev - uređaj s kojim se prvi put nesvjesno proizvodi

Crookesova cijev - uređaj uz pomoć kojeg su prvi put nesvjesno proizvedene X -zrake // wikipedia.org

Roentgen je sljedećih nekoliko tjedana posvetio istraživanju prirode neshvatljivog sjaja i otkrio da se fluorescencija pojavljuje kad god je primijenio struju na cijev. Izvor zračenja bila je cijev, a ne neki drugi dio električnog kruga. Ne znajući s čime se suočava, Roentgen je odlučio ovaj fenomen označiti kao X-zrake, ili X-zrake. Dalje je Roentgen otkrio da ovo zračenje može prodrijeti u gotovo sve objekte na različitim dubinama, ovisno o debljini predmeta i gustoći tvari. Tako se pokazalo da je mali olovni disk između cijevi za pražnjenje i zaslona nepropustan za X-zrake, a kosti šake bacaju tamniju sjenu na ekran, okruženu svjetlijom sjenom od mekih tkiva. Ubrzo je znanstvenik otkrio da X-zrake ne uzrokuju samo sjaj ekrana prekrivenog barij-cijanoplatinitom, već i zatamnjenje fotografskih ploča (nakon razvoja) na onim mjestima gdje su X-zrake pale na fotografsku emulziju.

Tijekom svojih pokusa, Roentgen je bio uvjeren da je otkrio zračenje nepoznato znanosti. 28. prosinca 1895. izvijestio je o rezultatima istraživanja u članku "O novoj vrsti zračenja" u časopisu "Annals of Physics and Chemistry". Istodobno je znanstvenicima poslao slike ruke svoje supruge, Anna Bertha Ludwig, koja je kasnije postala poznata. Zahvaljujući Roentgenovom starom prijatelju, austrijskom fizičaru Franzu Exneru, stanovnici Beča prvi su vidjeli ove fotografije 5. siječnja 1896. na stranicama novina Die Presse. Već sljedećeg dana informacija o otvaranju prenesena je u novine London Chronicle. Tako je otkriće Roentgena postupno počelo ulaziti u svakodnevni život ljudi. Praktična primjena pronađena je gotovo odmah: 20. siječnja 1896. u New Hampshireu liječnici su pomogli muškarcu sa slomljenom rukom novom dijagnostičkom metodom - rentgenom.

Image
Image

RTG ruke Ane Berte Ludwig // wikipedia.org

Rana upotreba X-zraka

Tijekom nekoliko godina, rentgenske slike počele su se aktivno koristiti za preciznije operacije. Već 14 dana nakon njihovog otvaranja, Friedrich Otto Valkhoff napravio je prvu zubnu RTG snimku. A onda su zajedno s Fritzom Gieselom osnovali prvi zubni rendgenski laboratorij na svijetu.

Do 1900. godine, 5 godina nakon otkrića, uporaba rendgenskih zraka u dijagnostici smatrana je sastavnim dijelom medicinske prakse.

Statistički podaci koje je prikupila najstarija bolnica u Pennsylvaniji mogu se smatrati indikativnim za širenje tehnologija temeljenih na rendgenskom zračenju. Prema njezinim riječima, 1900. godine samo je oko 1-2% pacijenata dobilo pomoć pri rentgenskim snimkama, dok je do 1925. bilo već 25%.

X-zrake su se tada koristile na vrlo neobičan način. Na primjer, korišteni su za pružanje usluga uklanjanja dlaka. Dugo se vremena ova metoda smatrala poželjnijom u usporedbi s bolnijim - pincetom ili voskom. Osim toga, X-zrake su korištene u aparatima za postavljanje cipela-isprobavajućim fluoroskopima (pedoskopi). To su bili rentgenski aparati s posebnim udubljenjem za stopala, kao i prozori kroz koje su klijent i prodavači mogli procijeniti kako su cipele sjele.

Image
Image

Fluoroskop za cipele // wikipedia.org

Rana uporaba RTG snimanja iz suvremene sigurnosne perspektive postavlja mnoga pitanja. Problem je bio u tome što se u vrijeme otkrića X-zraka nije znalo gotovo ništa o zračenju i njegovim posljedicama, zbog čega su se pioniri koji su koristili novi izum suočili s njegovim štetnim učincima u vlastitom iskustvu. Negativne posljedice povećane izloženosti postao je masovna pojava na prijelazu u 19. stoljeće. XX. stoljeća, a ljudi su počeli postupno dolaziti do spoznaje opasnosti bezumne uporabe X-zraka.

Priroda x-zraka

X-zračenje je elektromagnetsko zračenje s energijom fotona od ~ 100 eV do 250 keV, koje leži na ljestvici elektromagnetskih valova između ultraljubičastog zračenja i gama zračenja. To je dio prirodnog zračenja koje se javlja u radioizotopima kada se atomi elemenata pobuđuju strujom elektrona, alfa česticama ili gama kvantima, pri čemu se elektroni izbacuju iz elektronskih ljuski atoma. Do zračenja rendgenskim zrakama dolazi kada se naelektrirane čestice kreću ubrzavanjem, osobito pri usporavanju elektrona, u električnom polju atoma tvari.

Razlikuju se mekane i tvrde RTG zrake, čija je uvjetna granica između njih na ljestvici valnih duljina oko 0,2 nm, što odgovara energiji fotona od oko 6 keV. Rendgensko zračenje je i prodorno, zbog svoje kratke valne duljine, i ionizira, budući da pri prolasku kroz tvar stupa u interakciju s elektronima, izbacujući ih iz atoma, razbijajući ih na ione i elektrone te mijenjajući strukturu tvari na koje djeluje.

Image
Image

Karakteristike radioizotopa

X-zrake uzrokuju sjaj kemijskog spoja zvanog fluorescencija. Zračenje atoma uzorka visokoenergetskim fotonima uzrokuje emisiju elektrona - oni napuštaju atom. U jednoj ili više elektronskih orbitala nastaju "rupe" - prazna mjesta, zbog kojih atomi prelaze u uzbuđeno stanje, odnosno postaju nestabilni. Milijuntinke sekunde kasnije, atomi se vraćaju u stabilno stanje kada su slobodna mjesta u unutarnjim orbitalama ispunjena elektronima iz vanjskih orbitala. Taj prijelaz prati emisija energije u obliku sekundarnog fotona, pa nastaje fluorescencija.

Rentgenska astronomija

Na Zemlji se rijetko susrećemo s rendgenskim zračenjem, ali se dosta često nalazi u svemiru. Tamo se prirodno javlja zbog aktivnosti mnogih svemirskih objekata. To je omogućilo astronomiju rendgenskih zraka. Energija rendgenskih fotona mnogo je veća od one optičkih, pa u rendgenskom području emitira tvar zagrijanu na iznimno visoke temperature. Izvori rentgenskih zraka su crne rupe, neutronske zvijezde, kvazari. Zahvaljujući astronomiji rendgenskih zraka postalo je moguće razlikovati crne rupe od neutronskih zvijezda, otkriveni su Fermijevi mjehurići te je bilo moguće uhvatiti proces uništenja obične zvijezde koja se približila crnoj rupi.

Image
Image

Jedan od prvih izvora X -zraka na nebu - Cygnus X -1 - otkriven je 1964. godine, a danas je većina znanstvenika sigurna da se radi o crnoj rupi mase oko 15 solarnih masa // NASA

Ovi kozmički izvori zračenja X-zrakama za nas nisu zamjetan dio prirodnog pozadinskog zračenja i stoga ni na koji način ne ugrožavaju ljude. Jedina iznimka može biti izvor jakog elektromagnetskog zračenja poput eksplozije supernove, koja se dogodila dovoljno blizu Sunčevog sustava.

Kako umjetno stvoriti X-zrake?

Rendgenski uređaji i dalje se široko koriste za nedestruktivnu introskopiju (rendgenske slike u medicini, otkrivanje grešaka u tehnologiji). Njihova glavna komponenta je rentgenska cijev koja se sastoji od katode i anode. Cijevne elektrode spojene su na izvor visokog napona, obično desetke ili čak stotine tisuća volti. Kad se zagrije, katoda emitira elektrone koje ubrzava generirano električno polje između katode i anode. Sudarajući se s anodom, elektroni se usporavaju i gube većinu energije. U tom slučaju dolazi do zračenja rendgenskim zračenjem, ali se pretežni dio energije elektrona pretvara u toplinu pa se anoda hladi.

Image
Image

Ekaterina Zolotoryova za PostNauki

Rendgenska cijev konstantnog ili pulsirajućeg djelovanja i dalje je najrašireniji izvor zračenja X-zrakama, ali daleko od toga da je jedini. Za dobivanje impulsa zračenja visokog intenziteta koriste se visokostrujna pražnjenja u kojima se plazma kanal protočne struje komprimira vlastitim magnetskim poljem struje-tzv. Štipanje. Ako se pražnjenje odvija u mediju lakih elemenata, na primjer, u vodikovom mediju, tada ono igra ulogu učinkovitog akceleratora elektrona pomoću električnog polja koje nastaje u samom pražnjenju. Ovo pražnjenje može znatno premašiti polje koje stvara vanjski izvor struje. Na taj način dobivaju se impulsi tvrdog zračenja X-zraka s velikom energijom generiranih kvanti (stotine kiloelektronvolti), koji imaju veliku prodornu moć.

Za dobivanje X -zraka u širokom spektralnom rasponu koriste se elektronski ubrzivači - sinkrotroni. U njima se zračenje stvara unutar prstenaste vakuumske komore, u kojoj se u kružnoj orbiti kreće usko usmjeren snop visokoenergetskih elektrona, ubrzan gotovo do brzine svjetlosti. Tijekom rotacije pod utjecajem magnetskog polja, leteći elektroni emitiraju snopove fotona tangencijalno na orbitu u širokom spektru, od kojih maksimum pada na područje X-zraka.

Kako se detektiraju rentgenski zraci

Dugo se vremena za detekciju i mjerenje X-zračenja koristio tanki sloj fosforne ili fotografske emulzije nanesene na površinu staklene ploče ili prozirnog polimernog filma. Prvi je, pod djelovanjem zračenja X-zrakama, zasjao u optičkom rasponu spektra, dok se optička prozirnost premaza promijenila u filmu pod djelovanjem kemijske reakcije.

Trenutno se elektronički detektori najčešće koriste za registriranje rendgenskog zračenja - uređaja koji generiraju električni impuls kada se kvant zračenja apsorbira u osjetljivom volumenu detektora. Razlikuju se po principu pretvaranja energije apsorbiranog zračenja u električne signale. Rendgenski detektori s elektroničkom registracijom mogu se podijeliti na ioniziranje čije se djelovanje temelji na ionizaciji tvari i radioluminiscentno, uključujući scintilaciju, pomoću luminiscencije tvari pod djelovanjem ionizirajućeg zračenja. Ionizacijski detektori se, ovisno o mediju za detekciju, dijele na plinske i poluvodičke.

Glavne vrste detektora napunjenih plinom su ionizacijske komore, Geigerovi brojači (Geiger-Mullerovi brojači) i proporcionalni brojači ispuštanja plina. Kvante zračenja koje ulaze u radno okruženje brojača uzrokuju ionizaciju plina i protok struje, što se bilježi. U poluvodičkom detektoru nastaju parovi elektron-rupa pod djelovanjem kvanti zračenja, koji također omogućuju protok električne struje kroz tijelo detektora.

Glavna komponenta scintilacijskih brojača u vakuumskom uređaju je fotomultiplikacijska cijev (PMT), koja koristi fotoelektrični učinak za pretvaranje zračenja u struju nabijenih čestica i fenomen sekundarne emisije elektrona za povećanje struje generiranih nabijenih čestica. Fotomultiplikator ima fotokatodu i sustav uzastopnih ubrzavajućih elektroda - dynodes, pri udaru na koji se ubrzani elektroni množe.

Sekundarni elektronički multiplikator je otvoreni vakuumski uređaj (radi samo u uvjetima vakuuma), u kojem se zračenje rendgenskih zraka na ulazu pretvara u struju primarnih elektrona, a zatim pojačava zbog sekundarne emisije elektrona koji se šire u kanalu multiplikatora. Mikrokanalne ploče, koje su ogroman broj zasebnih mikroskopskih kanala koji prodiru u detektor ploča, rade po istom principu. Oni dodatno mogu pružiti prostornu rezoluciju i stvaranje optičke slike presjeka toka X-zraka koji pada na detektor bombardiranjem poluprozirnog zaslona s fosforom nanesenim na njega s izlaznim protokom elektrona.

X-zrake u medicini

Sposobnost X-zraka da sijaju kroz materijalne objekte ne samo da ljudima daje mogućnost stvaranja jednostavnih X-zraka, već otvara i mogućnosti za naprednije dijagnostičke alate. Na primjer, ona je u središtu računalne tomografije (CT). Izvor i prijemnik rentgenskih zraka rotiraju se unutar prstena u kojem leži pacijent. Dobiveni podaci o tome kako tkiva tijela apsorbiraju X-zrake računalom se rekonstruiraju u 3D sliku. CT je osobito važan za dijagnosticiranje moždanog udara, a iako je manje točan od snimanja mozga magnetskom rezonancijom, potrebno je mnogo manje vremena.

Relativno novi smjer, koji se sada razvija u mikrobiologiji i medicini, je uporaba mekog X-zračenja. Kad je živi organizam proziran, omogućuje se dobivanje slike krvnih žila, detaljno proučavanje strukture mekih tkiva, pa čak i provođenje mikrobioloških studija na staničnoj razini. Rendgenski mikroskop koji koristi zračenje iz pražnjenja tipa pinch u plazmi teških elemenata omogućuje vidjeti takve detalje o strukturi žive stanice, koje elektronički mikroskop ne može vidjeti čak ni u posebno pripremljenoj staničnoj strukturi.

Jedna od vrsta radioterapije koja se koristi za liječenje zloćudnih tumora koristi tvrde X-zrake, što postaje moguće zbog svog ionizirajućeg učinka, koji uništava tkivo biološkog objekta. U tom se slučaju kao izvor zračenja koristi ubrzivač elektrona.

Radiografija u tehnologiji

Meke rendgenske zrake koriste se u istraživanjima čiji je cilj rješavanje problema kontrolirane termonuklearne fuzije. Za početak procesa potrebno je stvoriti povratni udarni val ozračivanjem male mete deuterija i tricija mekim X-zrakama iz električnog pražnjenja i trenutnim zagrijavanjem ljuske ove mete u stanje plazme. Ovaj val komprimira ciljani materijal do gustoće tisuće puta veće od gustoće krutine i zagrijava ga do termonuklearne temperature. Oslobađanje energije termonuklearne fuzije događa se u kratkom vremenu, dok se vruća plazma raspršuje po inerciji.

Sposobnost proziranja omogućuje radiografiju - tehniku snimanja koja vam omogućuje prikaz unutarnje strukture neprozirnog predmeta izrađenog od metala, na primjer. Nemoguće je na oko utvrditi jesu li konstrukcije mosta čvrsto zavarene, je li šav na plinovodu nepropustan i jesu li tračnice čvrsto međusobno pripijene. Stoga se u industriji RTG koristi za otkrivanje grešaka - praćenje pouzdanosti glavnih radnih svojstava i parametara objekta ili njegovih pojedinačnih elemenata, što ne zahtijeva uzimanje objekta iz upotrebe ili njegovo rastavljanje.

Rendgenska fluorescentna spektrometrija temelji se na učinku fluorescencije - metoda analize koja se koristi za određivanje koncentracija elemenata od berilija do urana u rasponu od 0,0001 do 100% u tvarima različitog podrijetla. Kad se uzorak ozrači snažnim protokom zračenja iz rentgenske cijevi, pojavljuje se karakteristično fluorescentno zračenje atoma, proporcionalno njihovoj koncentraciji u uzorku. Trenutno praktički svaki elektronički mikroskop omogućuje bez ikakvih poteškoća odrediti detaljan elementarni sastav mikroobjekata koji se proučavaju metodom rentgenske fluorescentne analize.

X-zrake u povijesti umjetnosti

Sposobnost X-zraka da sijaju i stvaraju efekt fluorescencije također se koristi za proučavanje slika. Ono što je skriveno ispod gornjeg sloja boje može mnogo reći o povijesti platna. Na primjer, vještim radom s nekoliko slojeva boje slika može biti jedinstvena u umjetničkom djelu. Također je važno uzeti u obzir strukturu slojeva slike pri odabiru najprikladnijih uvjeta skladištenja za platno. Uza sve to potrebno je rentgensko zračenje koje vam omogućuje da pogledate ispod gornjih slojeva slike bez štete po nju.

Važan razvoj u tom smjeru su nove metode specijalizirane za rad s umjetničkim djelima. Makroskopska fluorescencija varijanta je rentgenske fluorescentne analize koja je dobro prilagođena za vizualizaciju distribucijske strukture ključnih elemenata, uglavnom metala, prisutnih na površinama od približno 0,5-1 četvornih metara ili više. S druge strane, rendgenska laminografija, varijanta računalne rendgenske tomografije, prikladnija za proučavanje ravnih površina, čini se obećavajućom za dobivanje slika pojedinih slojeva slike. Ove se metode mogu koristiti i za proučavanje kemijskog sastava sloja boje. To omogućuje datiranje platna, uključujući i radi identifikacije krivotvorine.

X-zrake vam omogućuju da saznate strukturu tvari

Kristalografija rendgenskih zraka znanstveni je smjer povezan s identifikacijom strukture tvari na atomskoj i molekularnoj razini. Posebnost kristalnih tijela je višestruko uređeno ponavljanje u prostornoj strukturi istih elemenata (stanica), koje se sastoji od određenog skupa atoma, molekula ili iona.

Glavna metoda istraživanja sastoji se u izlaganju kristalnog uzorka uskom snopu X-zraka pomoću rendgenske kamere. Dobivena fotografija prikazuje sliku difraktiranih X-zraka koje prolaze kroz kristal, s kojega znanstvenici tada mogu vizualno prikazati njegovu prostornu strukturu, nazvanu kristalna rešetka. Razni načini provedbe ove metode nazivaju se rendgenska strukturna analiza.

Rentgenska strukturna analiza kristalnih tvari sastoji se od dvije faze:

  1. Određivanje veličine jedinične ćelije kristala, broja čestica (atoma, molekula) u ćeliji i simetrije rasporeda čestica. Do ovih podataka dolazi se analizom geometrije položaja difrakcijskih maksimuma.
  2. Proračun gustoće elektrona unutar jedinične ćelije i određivanje koordinata atoma koje su identificirane s položajem maksimuma gustoće elektrona. Do ovih podataka dolazi se analizom intenziteta maksimuma difrakcije.
Image
Image

Fotografija difrakcijskog uzorka DNA u takozvanoj B-konfiguraciji

Neki molekularni biolozi predviđaju da bi se pri snimanju najvećih i najsloženijih molekula kristalografija rentgenskih zraka mogla zamijeniti novom tehnikom koja se naziva kriogena elektronska mikroskopija.

Jedan od najnovijih alata u kemijskoj analizi bio je Hendersonov skener za film koji je koristio u svom pionirskom radu u kriogenoj elektronskoj mikroskopiji. Međutim, ova je metoda još uvijek prilično skupa i stoga nije vjerojatno da će u skoroj budućnosti potpuno zamijeniti rendgensku kristalografiju.

Relativno novo područje istraživanja i tehničke primjene povezane s upotrebom X-zraka je rentgenska mikroskopija. Dizajniran je za dobivanje povećane slike objekta koji se proučava u stvarnom prostoru u dvije ili tri dimenzije pomoću optike za fokusiranje.

Granica difrakcije prostorne razlučivosti u rendgenskoj mikroskopiji zbog male valne duljine korištenog zračenja oko 1000 je puta bolja od odgovarajuće vrijednosti za optički mikroskop. Osim toga, prodorna moć rentgenskog zračenja omogućuje proučavanje unutarnje strukture uzoraka koji su potpuno neprozirni za vidljivu svjetlost. I premda elektronička mikroskopija ima prednost nešto veće prostorne razlučivosti, to nije nerazorna metoda istraživanja, jer zahtijeva vakuum i uzorke s metalnim ili metaliziranim površinama, što je potpuno razorno, na primjer, za biološke objekte.

Preporučeni: